Al igual que una batería, los MXenes pueden almacenar grandes cantidades de energía eléctrica a través de reacciones electroquímicas, pero a diferencia de las baterías, se pueden cargar y descargar en cuestión de segundos.
En colaboración con la Universidad de Drexel, un equipo de HZB demostró que la intercalación de moléculas de urea entre las capas de MXene puede aumentar la capacidad de dichos ‘pseudocondensadores’ en más del 50 por ciento. En BESSY II analizaron cómo los cambios en la química de la superficie de MXene después de la intercalación de urea son responsables de esto.
Existen diferentes soluciones para almacenar energía eléctrica: las baterías electroquímicas a base de litio, por ejemplo, almacenan grandes cantidades de energía, pero requieren largos tiempos de carga. Los supercondensadores, por otro lado, pueden absorber o liberar energía eléctrica extremadamente rápido, pero almacenan mucha menos energía eléctrica.
El Pseudocondensador MXene
Según Wikipedia, los MXenes son una clase de compuestos inorgánicos bidimensionales, es decir capas 2D de pocos átomos de espesor de carburos, nitruros o carbonitruros de metales de transición.
Esta nueva clase de material fue descubierta apenas en 2011 y según la Universidad de Drexel, en los Estados Unidos, es capaz de almacenar grandes cantidades de carga.
Los llamados MXenes, nanopartículas Ti3 C2 Tx forman una red bidimensional, similar al grafeno. Mientras que el titanio (Ti) y el carbono (C) son elementos, Tx describe diferentes grupos químicos que sellan la superficie, por ejemplo, grupos OH. Los MXenes son materiales altamente conductores con superficies hidrofílicas y pueden formar dispersiones que se asemejan a la tinta negra, compuestas de partículas en capas apiladas en agua.
Ti3 C2 Tx MXene puede almacenar tanta energía como las baterías, pero puede cargarse o descargarse en decenas de segundos. Mientras que los supercondensadores igualmente rápidos (o más rápidos) absorben su energía mediante la 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 suaves.
En cooperación con el grupo de Yuri Gogotsi en la Universidad de Drexel, los científicos del HZB Dr. Tristan Petit y Ameer Al-Temimy han utilizado por primera vez la espectroscopía de absorción de rayos X para investigar muestras de MXene en dos estaciones experimentales: LiXEdrom y X- PEEM en BESSY II. Con estos métodos, se analizó el entorno químico de los grupos de superficie MXene sobre escamas de MXene individuales en vacío, pero también directamente en el entorno del agua. Encontraron diferencias dramáticas entre MXenes prístinos y MXenes entre los cuales las moléculas de urea se intercalaban.
Figura 1. Los MXenes son materiales 2D que forman partículas de varias capas (izquierda) a partir de las cuales se fabrican los pseudocondensadores. La luz brillante de rayos X en MXenes reveló cambios en su estructura química tras la intercalación de moléculas de urea (derecha) en comparación con los MXenes prístinos (centro). Crédito: HZB / Martin Künsting
La urea aumenta la capacidad
La presencia de moléculas de urea también cambia significativamente las propiedades electroquímicas de los MXenes. La capacidad del área aumentó a 1100 mF/cm2, que es un 56% más alta que los electrodos PriTiTi 3 C 2 Tx preparados de manera similar. Los análisis XAS en BESSY II mostraron que la química de la superficie cambia por la presencia de las moléculas de urea.
“También podríamos observar el estado de oxidación de los átomos de Ti en las superficies Ti3 C2 Tx MXene usando 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, quien realizó las mediciones como parte de su doctorado.
Noticia de: Phys.org
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