MXène pour le stockage de l'énergie : plus polyvalent que prévu
Les états chimiques des atomes de titane sur les surfaces de paillettes de MXène cartographiés pour la première fois à l'aide de la microscopie à rayons X in situ
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Les matériaux MXene sont des candidats prometteurs pour une nouvelle technologie de stockage de l'énergie. Toutefois, les processus par lesquels le stockage de la charge s'effectue n'étaient pas encore parfaitement compris. Une équipe du HZB a examiné, pour la première fois, des flocons de MXène individuels afin d'explorer ces processus en détail. En utilisant le microscope à rayons X à transmission in situ "MYSTIIC" à BESSY II, les scientifiques ont cartographié les états chimiques des atomes de titane à la surface des flocons de MXène. Les résultats ont révélé deux réactions redox distinctes, en fonction de l'électrolyte. Cette étude jette les bases d'une meilleure compréhension des processus de transfert de charge à l'échelle nanométrique et jette les bases d'une recherche future visant à optimiser les dispositifs de stockage d'énergie pseudocapacitifs.
Vue schématique : Dans un électrolyte acide H2SO4, l'intercalation de protons déplace les molécules d'eau confinées, protonant la surface du MXène, ce qui entraîne un état d'oxydation réduit du titane.
© Energy & Environmental Science / HZB
Le stockage de l'énergie est essentiel pour parvenir à un approvisionnement énergétique efficace et neutre sur le plan climatique, basé sur des sources d'énergie renouvelables. Les technologies actuelles ont leurs avantages et leurs inconvénients. Les batteries, par exemple, nécessitent un certain temps de charge mais peuvent stocker d'énormes quantités d'énergie, tandis que les condensateurs électriques à double couche (EDLC) se chargent rapidement mais ne peuvent absorber qu'une quantité limitée d'énergie. Les pseudo-condensateurs pourraient combiner une capacité de stockage élevée et la vitesse, grâce à un processus de transfert de charge basé sur des changements chimiques sans modification de la phase du matériau. Jusqu'à présent, cette technologie n'a pas encore été mise en œuvre en raison du manque de matériaux prometteurs.
Les talents cachés des MXènes
Cette situation pourrait changer avec les matériaux MXènes. Les MXènes sont des matériaux bidimensionnels avec une structure en couches, comme le carbure de titane, qui forment un noyau conducteur et une surface hautement réactive. La distance entre les couches est de l'ordre de quelques nanomètres. Par l'intermédiaire d'électrolytes aqueux, les protons et les ions Li peuvent s'intercaler entre les couches de MXène et agir en tant que porteurs de charge. Les porteurs de charge se lient aux terminaisons de surface sur les atomes de titane par des réactions d'oxydoréduction. Autre avantage : Les électrolytes aqueux sont généralement beaucoup plus respectueux de l'environnement que les électrolytes organiques utilisés dans les batteries.
Changements chimiques observés
Jusqu'à présent, le MXène a surtout été étudié dans de grands échantillons comprenant des milliers de paillettes empilées. Le Dr Tristan Petit a maintenant clarifié expérimentalement, pour la première fois, ce qui se passe au niveau d'un flocon individuel pendant le stockage des ions à l'aide de la microscopie à rayons X doux, afin d'obtenir des informations sur les changements chimiques au niveau des sous-flocons. En utilisant le microscope à rayons X in situ "MYSTIIC" à BESSY II, les scientifiques ont réussi à imager les changements chimiques locaux dans les paillettes de Ti₃C₂Tx MXene pendant l'intercalation spontanée et électrochimique de différents ions.
Cela dépend de l'électrolyte
"Nous avons découvert des différences significatives dans le comportement chimique selon que l'électrolyte contient des protons ou des ions lithium", explique Namrata Sharma, premier auteur de l'étude. Les protons réduisent l'état d'oxydation des atomes de titane, tandis que l'intercalation d'ions lithium augmente l'état d'oxydation des atomes de titane.
Cela remet en question la perception commune des MXènes en tant que condensateurs électriques à double couche (EDLC) dans les électrolytes aqueux neutres. Ils sont plus complexes et donc plus intéressants, car nous pouvons utiliser ces connaissances pour développer des MXènes pour de nouvelles applications de stockage d'énergie telles que les pseudocondensateurs", explique M. Petit.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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