Rápido y furioso: Una nueva clase de materiales 2D almacena energía eléctrica
Los carburos de titanio bidimensionales, llamados MXenes, se están discutiendo como candidatos para el almacenamiento rápido de energía eléctrica. Como una batería, los MXenes pueden almacenar grandes cantidades de energía eléctrica a través de reacciones electroquímicas - pero a diferencia de las baterías, pueden ser cargadas y descargadas en cuestión de segundos. En colaboración con la Universidad de Drexel, un equipo del HZB demostró que la intercalación de moléculas de urea entre las capas de MXenes puede aumentar la capacidad de tales "pseudo-condensadores" en más de un 50 por ciento. En BESSY II han analizado cómo los cambios de la química de la superficie del MXene después de la intercalación de la urea son responsables de esto.
Los MXenes son materiales 2D que forman partículas de varias capas (izquierda) de las que se hacen pseudocapacitores. La luz de rayos X brillante sobre los MXenes reveló cambios en su estructura química al intercalar las moléculas de urea (derecha) en comparación con los MXenes prístinos (centro).
© Martin Künsting/HZB
Hay diferentes soluciones para almacenar la energía eléctrica: Las baterías electroquímicas de litio, por ejemplo, almacenan grandes cantidades de energía, pero requieren largos tiempos de carga. Los supercondensadores, por otro lado, son capaces de absorber o liberar energía eléctrica con extrema rapidez, pero almacenan mucha menos energía eléctrica.
Seudocapacitores MXene
Otra opción está en el horizonte desde 2011: Una nueva clase de materiales 2D que podría almacenar enormes cantidades de carga fue descubierta en la Universidad de Drexel, EE.UU.. Se trata de los llamados MXenes, nano hojas de Ti3C2Tx que forman una red bidimensional en conjunto, similar al grafeno. Mientras que el titanio (Ti) y el carbono (C) son elementos, el Tx describe diferentes grupos químicos que sellan la superficie, por ejemplo los grupos OH. Los MXenes son materiales altamente conductores con superficies hidrófilas y pueden formar dispersiones que se asemejan a la tinta negra, compuestas de partículas apiladas en capas en el agua.
El Ti3C2Tx MXene puede almacenar tanta energía como las baterías, pero puede cargarse o descargarse en decenas de segundos. Mientras que los supercapacitores igualmente rápidos (o más rápidos) absorben su energía por adsorción electrostática de cargas eléctricas, la energía se almacena en enlaces químicos en la superficie de los MXenes. Por lo tanto, el almacenamiento de energía es mucho más eficiente.
Nuevos conocimientos sobre la química mediante métodos de rayos X blandos
En cooperación con el grupo de Yuri Gogotsi de la Universidad de Drexel, los científicos del HZB Dr. Tristan Petit y Ameer Al-Temimy han utilizado por primera vez la espectroscopia de absorción de rayos X blandos para investigar las muestras de MXenes en dos estaciones experimentales LiXEdrom y X-PEEM en BESSY II. Con estos métodos, el entorno químico de los grupos de superficie de MXene fue analizado sobre copos individuales de MXene en el vacío pero también directamente en el entorno del agua. Encontraron diferencias dramáticas entre los MXenes prístinos y los MXenes entre los cuales las moléculas de urea estaban intercaladas.
La urea aumenta la capacidad
La presencia de moléculas de urea también cambia significativamente las propiedades electroquímicas de los MXenes. La capacidad de área aumentó a 1100 mF/cm2, lo que es un 56 por ciento más alto que los electrodos prístinosTi3C2Tx preparados de manera similar. Los análisis XAS en BESSY II mostraron que la química de la superficie se modifica por la presencia de las moléculas de urea. "También pudimos observar el estado de oxidación de los átomos de Ti en las superficies de Ti3C2Tx MXene utilizando X-PEEM. Este estado de oxidación fue mayor con la presencia de urea, lo que puede facilitar el almacenamiento de más energía", dice Ameer Al-Temimy, que realizó las mediciones como parte de su doctorado.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Ameer Al-Temimy, Babak Anasori, Katherine A. Mazzio, Florian Kronast, Mykola Seredych, Narendra Kurra, Mohamad-Assaad Mawass, Simone Raoux, Yury Gogotsi, and Tristan Petit; "Enhancement of Ti3C2 MXene Pseudocapacitance After Urea Intercalation Studied by Soft X-ray Absorption Spectroscopy"; J. Phys. Chem. C; 2020
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