MXene para armazenamento de energia: mais versátil do que se esperava
Estados químicos de átomos de titânio em superfícies de flocos de MXene mapeados pela primeira vez usando microscopia de raios X in situ
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Os materiais MXene são candidatos promissores para uma nova tecnologia de armazenamento de energia. No entanto, os processos pelos quais o armazenamento de carga ocorre ainda não eram totalmente compreendidos. Uma equipa do HZB examinou, pela primeira vez, flocos individuais de MXene para explorar estes processos em pormenor. Utilizando o microscópio de raios X de transmissão por varrimento in situ 'MYSTIIC' no BESSY II, os cientistas mapearam os estados químicos dos átomos de titânio nas superfícies dos flocos de MXene. Os resultados revelaram duas reacções redox distintas, dependendo do eletrólito. Estes resultados lançam as bases para a compreensão dos processos de transferência de carga à escala nanométrica e fornecem uma base para a investigação futura destinada a otimizar os dispositivos pseudocapacitivos de armazenamento de energia.
Vista esquemática: Num eletrólito ácido H2SO4, a intercalação de protões desloca as moléculas de água confinadas, protonando a superfície do MXene, o que resulta num estado de oxidação reduzido do titânio.
© Energy & Environmental Science / HZB
O armazenamento de energia é crucial para se conseguir um abastecimento energético eficiente e neutro para o clima, baseado em fontes de energia renováveis. As tecnologias actuais têm os seus prós e contras. As baterias, por exemplo, requerem um certo tempo para serem carregadas, mas podem armazenar enormes quantidades de energia, enquanto os condensadores eléctricos de dupla camada (EDLC) se carregam rapidamente, mas só podem absorver uma quantidade limitada de energia. Os chamados pseudocapacitores poderiam combinar uma elevada capacidade de armazenamento com velocidade, devido a um processo de transferência de carga baseado em alterações químicas sem mudar a fase do material. Até à data, esta tecnologia ainda não foi concretizada devido à falta de materiais promissores.
Os talentos escondidos dos MXénios
Esta situação pode mudar com os materiais MXene. Os MXenes são materiais bidimensionais com uma estrutura em camadas, como o carboneto de titânio, que formam um núcleo condutor e uma superfície altamente reactiva. A distância entre camadas é da ordem de alguns nanómetros. Através de electrólitos aquosos, os protões e os iões Li podem intercalar-se entre as camadas de MXene e atuar como portadores de carga. Os portadores de carga ligam-se às terminações superficiais dos átomos de titânio através de reacções redox. Outra vantagem: Os electrólitos aquosos são geralmente muito mais amigos do ambiente do que os electrólitos orgânicos utilizados nas baterias.
Alterações químicas observadas
Até à data, o MXene tem sido estudado principalmente em amostras maiores, constituídas por milhares de flocos empilhados. O Dr. Tristan Petit clarificou agora experimentalmente, pela primeira vez, o que acontece ao nível de cada floco durante o armazenamento de iões com microscopia suave de raios X, para obter informações sobre as alterações químicas ao nível dos subflocos. Utilizando o microscópio de raios X in situ 'MYSTIIC' no BESSY II, os cientistas conseguiram obter imagens das alterações químicas locais em flocos individuais de Ti₃C₂Tx MXene durante a intercalação espontânea e eletroquímica de diferentes iões.
Depende do eletrólito
"Descobrimos diferenças significativas no comportamento químico, dependendo se o eletrólito continha protões ou iões de lítio", diz Namrata Sharma, o primeiro autor do estudo. Os protões reduzem o estado de oxidação dos átomos de titânio, enquanto a intercalação de iões de lítio aumenta o estado de oxidação dos átomos de titânio.
Isto desafia a perceção comum dos MXenes como condensadores eléctricos de dupla camada (EDLCs) em electrólitos aquosos neutros. São mais complexos e, por conseguinte, mais interessantes, uma vez que podemos utilizar estes conhecimentos para desenvolver MXenes para novas aplicações de armazenamento de energia, tais como pseudocapacitores", afirma Petit.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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