De 2D a 3D:o caminho do MXenes para revolucionar o armazenamento de energia e muito mais
Fabricação de sílica porosa eletricamente condutora via infiltração de nanofolhas MXene 2D. a) Preparação de discos de sílica com porosidade unidirecional via congelamento. As setas azuis representam a direção de solidificação e a orientação principal dos poros. As imagens SEM mostram as seções transversais horizontal (superior) e vertical (inferior) das amostras porosas fabricadas (barra de escala =100 μm). b) Uma amostra de sílica porosa infiltrada com MXene com uma figura 3D ampliada mostrando o revestimento de camada fina das superfícies internas dos poros por flocos de MXene, preservando a porosidade estrutural. Uma imagem SEM retroespalhada de alta ampliação de uma amostra infiltrada mostra o revestimento MXene de camada fina (barra de escala =10 µm). c) Dispersão MXene preparada usando o método de delaminação de camada minimamente intensiva (MILD). d) A distribuição do diâmetro hidrodinâmico do Ti 2D3 C2 Tx nanofolhas para a dispersão MXene preparada. Um modelo sólido dos flocos 2D dispersos é fornecido na inserção. e) Imagem TEM mostrando a estrutura e o tamanho de um Ti3 de camada única C2 Tx nanosheet com setas indicando sua periferia. A coloração falsa (roxo) é usada para ajudar na visualização. f) Resultados da análise termogravimétrica (TGA) para a massa restante da dispersão de MXene em função da temperatura. O valor da massa a 200° C é utilizado para calcular a concentração de MXene das dispersões. Crédito:Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202304757 Com uma série de propriedades impressionantes, os carbonetos de metais de transição, geralmente chamados de MXenes, são nanomateriais interessantes que estão sendo explorados no setor de armazenamento de energia. MXenes são materiais bidimensionais que consistem em flocos tão finos quanto alguns nanômetros.
Sua excelente resistência mecânica, relação superfície-volume ultra-alta e estabilidade eletroquímica superior os tornam candidatos promissores como supercapacitores - isto é, desde que possam ser organizados em arquiteturas 3D onde haja um volume suficiente de nanomateriais e suas grandes superfícies sejam disponível para reações.
Durante o processamento, os MXenes tendem a ser reempilhados, comprometendo a acessibilidade e impedindo o desempenho de flocos individuais, diminuindo assim algumas de suas vantagens significativas. Para contornar este obstáculo, Rahul Panat e Burak Ozdoganlar, juntamente com Ph.D. o candidato Mert Arslanoglu, do Departamento de Engenharia Mecânica da Carnegie Mellon University, desenvolveu um sistema de materiais inteiramente novo que organiza nanofolhas MXene 2D em uma estrutura 3D.
Isso é conseguido infiltrando o MXene em uma estrutura de cerâmica porosa, ou backbone. A espinha dorsal cerâmica é fabricada usando a técnica de fundição por congelamento, que produz estruturas de poros abertos com dimensões e direcionalidade de poros controladas.
O estudo foi publicado na revista Advanced Materials .
"Somos capazes de infiltrar flocos de MXene dispersos em um solvente em uma estrutura cerâmica porosa fundida por congelamento", explicou Panat, professor de engenharia mecânica. "À medida que o sistema seca, os flocos 2D MXene revestem uniformemente as superfícies internas dos poros interconectados da cerâmica sem perder nenhum atributo essencial."
Conforme descrito em sua publicação anterior, o solvente usado em sua abordagem de congelamento é um produto químico chamado canfeno, que produz estruturas dendríticas semelhantes a árvores quando congelado. Outros tipos de distribuições de poros também podem ser obtidos usando diferentes solventes.
Para testar as amostras, a equipe construiu supercapacitores de dois eletrodos “tipo sanduíche” e os conectou a uma luz LED com tensão operacional de 2,5V. Os supercapacitores alimentaram a luz com sucesso com valores de densidade de potência e densidade de energia mais altos do que os obtidos anteriormente para qualquer supercapacitor baseado em MXene.
“Não apenas demonstramos uma maneira excepcional de utilizar o MXene, mas também o fizemos de uma forma reproduzível e escalonável”, disse Ozdoganlar, também professor de engenharia mecânica. "Nosso novo sistema de materiais pode ser fabricado em massa nas dimensões desejadas para ser usado em dispositivos comerciais. Acreditamos que isso pode ter um impacto tremendo em dispositivos de armazenamento de energia e, portanto, em aplicações como veículos elétricos."
Com excelentes resultados experimentais e condutividade elétrica que pode ser ajustada controlando a concentração de MXene e a porosidade da estrutura, este sistema de material tem um potencial de longo alcance para baterias, células de combustível, sistemas de descarbonização e dispositivos catalíticos. Poderemos até ver um supercapacitor MXene alimentando nossos veículos elétricos um dia.
"Nossa abordagem pode ser aplicada a outros materiais em escala nanométrica, como o grafeno, e a espinha dorsal pode ser construída a partir de materiais além da cerâmica, incluindo polímeros e metais", disse Panat. "Esta estrutura poderia permitir uma ampla gama de aplicações tecnológicas emergentes e inovadoras."
Mais informações: Mert Arslanoglu et al, Montagem 3D de redes MXene usando uma estrutura cerâmica com porosidade controlada, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202304757 Informações do diário: Materiais Avançados
Fornecido pela Engenharia Mecânica da Carnegie Mellon University
