MXene per l'accumulo di energia: più versatile del previsto
Stati chimici degli atomi di titanio sulle superfici delle scaglie di MXene mappati per la prima volta con la microscopia a raggi X in situ
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I materiali MXene sono candidati promettenti per una nuova tecnologia di accumulo dell'energia. Tuttavia, i processi attraverso i quali avviene l'immagazzinamento della carica non sono ancora stati pienamente compresi. Un team dell'HZB ha esaminato, per la prima volta, singole scaglie di MXene per esplorare questi processi in dettaglio. Utilizzando il microscopio a scansione a trasmissione di raggi X "MYSTIIC" di BESSY II, gli scienziati hanno mappato gli stati chimici degli atomi di titanio sulle superfici delle scaglie di MXene. I risultati hanno rivelato due distinte reazioni redox, a seconda dell'elettrolita. Ciò pone le basi per la comprensione dei processi di trasferimento di carica su scala nanometrica e fornisce una base per la ricerca futura volta a ottimizzare i dispositivi di accumulo di energia pseudocapacitivi.
Vista schematica: In un elettrolita acido H2SO4, l'intercalazione di protoni sposta le molecole d'acqua confinate, protonando la superficie dell'MXene, che risulta in uno stato di ossidazione ridotto del titanio.
© Energy & Environmental Science / HZB
L'accumulo di energia è fondamentale per raggiungere un approvvigionamento energetico efficiente e neutrale dal punto di vista climatico, basato su fonti di energia rinnovabili. Le tecnologie attuali hanno i loro pro e contro. Le batterie, ad esempio, richiedono un certo tempo per caricarsi ma possono immagazzinare enormi quantità di energia, mentre i condensatori elettrici a doppio strato (EDLC) si caricano rapidamente ma possono assorbire solo una quantità limitata di energia. I cosiddetti pseudocondensatori potrebbero combinare un'elevata capacità di immagazzinamento con la velocità, grazie a un processo di trasferimento di carica basato su cambiamenti chimici senza modificare la fase del materiale. Finora questa tecnologia non è stata ancora realizzata a causa della mancanza di materiali promettenti.
Il talento nascosto degli MXeni
La situazione potrebbe cambiare con i materiali MXene. Gli MXeni sono materiali bidimensionali con una struttura a strati, come il carburo di titanio, che formano un nucleo conduttivo e una superficie altamente reattiva. La distanza tra gli strati è dell'ordine di pochi nanometri. Attraverso elettroliti acquosi, protoni e ioni Li possono intercalarsi tra gli strati di MXene e agire come portatori di carica. I portatori di carica si legano alle terminazioni superficiali degli atomi di titanio attraverso reazioni redox. Un altro vantaggio: Gli elettroliti acquosi sono generalmente molto più rispettosi dell'ambiente rispetto agli elettroliti organici utilizzati nelle batterie.
Cambiamenti chimici osservati
Finora, l'MXene è stato studiato principalmente in campioni più grandi, composti da migliaia di scaglie impilate. Il dottor Tristan Petit ha ora chiarito sperimentalmente, per la prima volta, cosa accade a livello di singolo fiocco durante l'immagazzinamento degli ioni con la microscopia a raggi X morbidi, per ottenere informazioni sui cambiamenti chimici a livello di sub-fiocco. Utilizzando il microscopio a raggi X in situ "MYSTIIC" di BESSY II, gli scienziati sono riusciti a visualizzare i cambiamenti chimici locali in singoli fiocchi di Ti₃C₂Tx MXene durante l'intercalazione spontanea ed elettrochimica di diversi ioni.
Dipende dall'elettrolita
"Abbiamo scoperto differenze significative nel comportamento chimico a seconda che l'elettrolita contenesse ioni protoni o ioni litio", spiega Namrata Sharma, primo autore dello studio. I protoni riducono lo stato di ossidazione degli atomi di titanio, mentre l'intercalazione di ioni di litio aumenta lo stato di ossidazione degli atomi di titanio.
Questo mette in discussione la percezione comune degli MXeni come condensatori elettrici a doppio strato (EDLC) in elettroliti acquosi neutri. Sono più complessi e quindi più interessanti, perché possiamo usare queste intuizioni per sviluppare gli MXeni per nuove applicazioni di stoccaggio dell'energia, come gli pseudocapacitori", spiega Petit.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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