Fra 2D til 3D:MXenes vej til revolutionerende energilagring og mere

Med en række imponerende egenskaber er overgangsmetalcarbider, generelt omtalt som MXenes, spændende nanomaterialer, der udforskes i energilagringssektoren. MXener er todimensionelle materialer, der består af flager så tynde som nogle få nanometer.

Deres enestående mekaniske styrke, ultrahøje overflade-til-volumen-forhold og overlegne elektrokemiske stabilitet gør dem til lovende kandidater som superkondensatorer - det vil sige, så længe de kan arrangeres i 3D-arkitekturer, hvor der er et tilstrækkeligt volumen af ​​nanomaterialer, og deres store overflader er tilgængelig for reaktioner.

Under behandling har MXener tendens til at stable igen, hvilket kompromitterer tilgængeligheden og hæmmer ydeevnen af ​​individuelle flager, hvorved nogle af deres væsentlige fordele formindskes. For at omgå denne hindring har Rahul Panat og Burak Ozdoganlar sammen med Ph.D. kandidat Mert Arslanoglu, fra Mechanical Engineering Department ved Carnegie Mellon University, har udviklet et helt nyt materialesystem, der arrangerer 2D MXene nanoark i en 3D-struktur.

Dette opnås ved at infiltrere MXene i et porøst keramisk stillads eller rygrad. Den keramiske rygrad er fremstillet ved hjælp af frysestøbningsteknikken, som producerer åbne porestrukturer med kontrollerede poredimensioner og poreretningsevne.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

"Vi er i stand til at infiltrere MXene-flager dispergeret i et opløsningsmiddel ind i en frysestøbt porøs keramisk struktur," forklarede Panat, professor i maskinteknik. "Når systemet tørrer, dækker 2D MXene-flagerne ensartet de indre overflader af de indbyrdes forbundne porer i keramikken uden at miste nogen væsentlige egenskaber."

Som beskrevet i deres tidligere publikation er opløsningsmidlet, der anvendes i deres frysestøbningsmetode, et kemikalie kaldet camphen, som producerer trælignende dendritiske strukturer, når det fryses. Andre typer af porefordelinger kan også opnås ved at bruge forskellige opløsningsmidler.

For at teste prøverne konstruerede holdet "sandwich-type" to-elektrodesuperkondensatorer og tilsluttede dem til et LED-lys med en driftsspænding på 2,5V. Superkondensatorerne forsynede lyset med succes med højere effekttæthed og energitæthedsværdier end tidligere opnået for nogen MXene-baserede superkondensatorer.

"Vi har ikke kun demonstreret en enestående måde at bruge MXene på, vi har gjort det på en måde, der er reproducerbar og skalerbar," sagde Ozdoganlar, også professor i maskinteknik. "Vores nye materialesystem kan massefremstilles i ønskede dimensioner til brug i kommercielle enheder. Vi mener, at dette kan have en enorm indflydelse på energilagringsenheder og dermed på applikationer såsom elektriske køretøjer."

Med fremragende eksperimentelle resultater og elektrisk ledningsevne, der kan finjusteres ved at kontrollere MXene-koncentrationen og porøsiteten af ​​rygraden, har dette materialesystem et vidtrækkende potentiale for batterier, brændselsceller, dekarboniseringssystemer og katalytiske enheder. Vi kan endda se en MXene-superkondensator drive vores elektriske køretøjer en dag.

"Vores tilgang kan anvendes på andre materialer i nanoskala, såsom grafen, og rygraden kan bygges af materialer ud over keramik, herunder polymerer og metaller," sagde Panat. "Denne struktur kunne muliggøre en bred vifte af nye og nye teknologiapplikationer."

Flere oplysninger: Mert Arslanoglu et al, 3D-samling af MXene-netværk ved hjælp af en keramisk rygrad med kontrolleret porøsitet, avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202304757

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Carnegie Mellon University Mechanical Engineering