MXeno para el almacenamiento de energía: más versátil de lo esperado
Estados químicos de los átomos de titanio en superficies de escamas de MXeno cartografiadas por primera vez mediante microscopía de rayos X in situ
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Los materiales de MXeno son candidatos prometedores para una nueva tecnología de almacenamiento de energía. Sin embargo, aún no se conocían del todo los procesos por los que se produce el almacenamiento de carga. Un equipo del HZB ha examinado, por primera vez, escamas individuales de MXeno para explorar estos procesos en detalle. Utilizando el microscopio de rayos X de transmisión por barrido in situ "MYSTIIC" de BESSY II, los científicos cartografiaron los estados químicos de los átomos de titanio en las superficies de las escamas de MXeno. Los resultados revelaron dos reacciones redox distintas en función del electrolito. Esto sienta las bases para comprender los procesos de transferencia de carga a nanoescala y proporciona una base para futuras investigaciones encaminadas a optimizar los dispositivos de almacenamiento de energía pseudocapacitiva.
Vista esquemática: En un electrolito ácido H2SO4, la intercalación de protones desplaza las moléculas de agua confinadas, protonando la superficie del MXeno, lo que da lugar a un estado de oxidación reducido del Titanio.
© Energy & Environmental Science / HZB
El almacenamiento de energía es crucial para conseguir un suministro energético eficiente y neutro para el clima, basado en fuentes de energía renovables. Las tecnologías actuales tienen sus pros y sus contras. Las baterías, por ejemplo, necesitan cierto tiempo para cargarse pero pueden almacenar enormes cantidades de energía, mientras que los condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) se cargan rápidamente pero sólo pueden absorber una cantidad limitada de energía. Los llamados pseudocondensadores podrían combinar una gran capacidad de almacenamiento con velocidad, gracias a un proceso de transferencia de carga basado en cambios químicos sin cambiar la fase del material. Hasta ahora, esta tecnología aún no se ha hecho realidad por falta de materiales prometedores.
Los talentos ocultos de los MXenos
Esto podría cambiar con los materiales MXeno. Los MXenos son materiales bidimensionales con una estructura en capas, como el carburo de titanio, que forman un núcleo conductor y una superficie altamente reactiva. La distancia entre capas es del orden de unos pocos nanómetros. A través de electrolitos acuosos, los protones y los iones de Li pueden intercalarse entre las capas de MXeno y actuar como portadores de carga. Los portadores de carga se unen a las terminaciones superficiales de los átomos de titanio mediante reacciones redox. Otra ventaja: Los electrolitos acuosos suelen ser mucho más respetuosos con el medio ambiente que los electrolitos orgánicos utilizados en las baterías.
Cambios químicos observados
Hasta ahora, el MXeno se había estudiado principalmente en muestras más grandes, compuestas por miles de escamas apiladas. El Dr. Tristan Petit ha aclarado ahora experimentalmente, por primera vez, lo que ocurre a nivel de escama individual durante el almacenamiento de iones con microscopía de rayos X blandos, para obtener información sobre los cambios químicos a nivel de subescala de escama. Utilizando el microscopio de rayos X in situ 'MYSTIIC' en BESSY II, los científicos lograron obtener imágenes de los cambios químicos locales en escamas individuales de Ti₃C₂Tx MXene durante la intercalación espontánea y electroquímica de diferentes iones.
Depende del electrolito
"Descubrimos diferencias significativas en el comportamiento químico dependiendo de si el electrolito contenía iones de protón o de litio", afirma Namrata Sharma, primera autora del estudio. Los protones reducen el estado de oxidación de los átomos de titanio, mientras que la intercalación de iones de litio aumenta el estado de oxidación de los átomos de titanio.
Esto desafía la percepción común de los MXenos como condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) en electrolitos acuosos neutros. Son más complejos y, por tanto, más interesantes, ya que podemos utilizar estos conocimientos para desarrollar MXenos para nuevas aplicaciones de almacenamiento de energía, como los pseudocondensadores", afirma Petit.
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