La Universidad de Drexel descubre un proceso diferente para fabricar MXenes, una nueva clase de almacenamiento de energía eléctrica. El hallazgo le abre las puertas al MXEnes para ser aplicado en los electrodos de baterías y las celdas solares de próxima generación
Los investigadores de la Universidad de Drexel han descubierto una forma diferente de fabricar MXEnes, un material que representa un conjunto de oportunidades para el campo de las energías.
El nuevo descubrimiento elimina el agua del proceso de fabricación de MXene, lo que significa que los materiales se pueden usar en aplicaciones en las que el agua es contaminante o dificulta el rendimiento, como los electrodos de batería y las celdas solares de próxima generación.
El descubrimiento, que se informó recientemente en la revista Chem, ofrece una nueva receta para la solución de grabado químico que separa las capas de un material precursor de cerámica, llamado fase MAX, para crear el material en capas bidimensional, MXene.
«El agua se ha utilizado en los procesos de fabricación de MXene para diluir el ácido de grabado y como disolvente para neutralizar la reacción, pero no siempre es deseable tener rastros de ella en el producto terminado», dijo Michel Barsoum, PhD, profesor distinguido en la Facultad de Ingeniería de Drexel.
«Hemos estado trabajando durante algún tiempo para explorar otros grabadores para la fase MAX P y ahora hemos encontrado la combinación correcta de productos químicos para hacerlo».
La producción de MXenes sin usar agua podría permitir que los materiales se utilicen en aplicaciones, como baterías y celdas solares, donde su presencia puede degradar el rendimiento.
Los MXenes han llamado la atención recientemente como un material conductor versátil, duradero que algún día podría mejorar la tecnología de almacenamiento de energía, habilitar textiles funcionales y mejorar las telecomunicaciones.
Por lo general, se producen mediante el uso de un ácido concentrado, para separar las capas atómicas de un material de fase MAX, luego se lavan con agua, dejando escamas del material en capas 2D que se puede presionar en películas delgadas para microchips y electrodos de batería, o se utilizan para rocíe antenas de pintura y dispositivos de recubrimiento para bloquear la interferencia electromagnética.
El proceso informado por Barsoum y sus colegas utiliza un solvente orgánico y fluoruro de dihidrógeno de amonio, un químico comúnmente utilizado para grabar el vidrio, para grabar la fase MAX. Esta solución hace el grabado, en parte porque se descompone en ácido fluorhídrico, pero no requiere agua para diluirlo ni para eliminar los subproductos del proceso de grabado.
Hacer MXenes de esta manera altera su estructura química interior de una manera que los hace más adecuados para su uso en algunos tipos de baterías y células solares, donde el agua podría ralentizar las reacciones químicas que almacenan y / o convierten la energía, o en algunos casos incluso causan corrosión.
«Los MXenes han demostrado un enorme potencial para mejorar los dispositivos de almacenamiento de energía, pero este descubrimiento los hace aún más prometedores», dijo Varun Natu, investigador doctoral en la Facultad de Ingeniería de Drexel y primer autor del artículo.
“Se sabe que incluso una ligera presencia de agua en las baterías de iones de litio o sodio que utilizan electrolitos orgánicos puede ser perjudicial para su rendimiento. En este trabajo mostramos que las películas de MXene sintetizadas en carbonato de propileno, cuando se prueban como ánodos en una batería de iones de sodio, exhiben casi el doble de la capacidad de la misma composición grabada en agua. Además, los MXenes ahora se pueden integrar fácilmente con materiales que se degradan en el agua, como ciertos polímeros, puntos cuánticos y perovskitas».
Figura 1. Imagen microscópica de transmisión electrónica de un tipo de material MXene hecho a través de un nuevo método que no incluye agua.
Además de equipar mejor MXenes para estas aplicaciones, y otras aún por explorar, el nuevo proceso también permite recuperar y reutilizar la solución de grabado. Esto podría resultar valioso a medida que los investigadores y las empresas busquen la forma más eficiente de ampliar el proceso de producción.
Los investigadores involucrados en este trabajo, incluido Vibha Kalra, PhD, profesor asociado en la Facultad de Ingeniería, han estado explorando formas de mejorar el rendimiento y la seguridad de la batería mediante el desarrollo de nuevos tipos de electrodos. Este descubrimiento podría aportar nuevas opciones para estos esfuerzos, así como el crecimiento del cuerpo de investigación de Drexel de MXene.
“Este hallazgo abre un nuevo campo de investigación enorme: el grabado no acuoso de MXenes. Creemos que este trabajo resultará útil no solo para la comunidad MXene, sino también para los investigadores de toda la ciencia de los materiales de campo”, dijo Barsoum.
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