Als een batterij, MXenes kunnen grote hoeveelheden elektrische energie opslaan door middel van elektrochemische reacties, maar in tegenstelling tot batterijen, kan binnen enkele seconden worden opgeladen en ontladen. In samenwerking met Drexel University, een team van HZB toonde aan dat de intercalatie van ureummoleculen tussen MXene-lagen de capaciteit van dergelijke 'pseudo-condensatoren' met meer dan 50 procent kan vergroten. Bij BESSY II hebben ze geanalyseerd hoe veranderingen in de oppervlaktechemie van MXene na intercalatie van ureum hiervoor verantwoordelijk zijn.

Er zijn verschillende oplossingen voor het opslaan van elektrische energie:op lithium gebaseerde elektrochemische batterijen, bijvoorbeeld, grote hoeveelheden energie opslaan, maar vereisen lange oplaadtijden. supercondensatoren, anderzijds, zijn in staat om elektrische energie extreem snel te absorberen of af te geven, maar veel minder elektrische energie op te slaan.

Pseudocondensator MXene

Sinds 2011 is er nog een optie in het verschiet:een nieuwe klasse van 2D-materialen die enorme hoeveelheden lading opslaan, werd ontdekt aan de Drexel University, in de VS. Dit zijn zogenaamde MXenen, Ti ₃ C ₂ Tx nanosheets die samen een tweedimensionaal netwerk vormen, vergelijkbaar met grafeen. Terwijl titanium (Ti) en koolstof (C) elementen zijn, Tx beschrijft verschillende chemische groepen die het oppervlak afdichten, bijvoorbeeld OH-groepen. MXenen zijn sterk geleidende materialen met hydrofiele oppervlakken en kunnen dispersies vormen die lijken op zwarte inkt, samengesteld uit gestapelde gelaagde deeltjes in water.

Ti ₃ C ₂ Tx MXene kan evenveel energie opslaan als batterijen, maar kan binnen tientallen seconden worden opgeladen of ontladen. Terwijl evenzo snelle (of snellere) supercondensatoren hun energie absorberen door elektrostatische adsorptie van elektrische ladingen, de energie wordt opgeslagen in chemische bindingen aan het oppervlak van MXenes. Energieopslag is daardoor veel efficiënter.

Nieuwe inzichten in chemie door zachte röntgenmethoden

In samenwerking met de groep van Yuri Gogotsi aan de Drexel University, de HZB-wetenschappers Dr. Tristan Petit en Ameer Al-Temimy hebben nu voor het eerst zachte röntgenabsorptiespectroscopie gebruikt om MXene-monsters te onderzoeken op twee experimentele stations - LiXEdrom en X-PEEM bij BESSY II. Met deze methoden, de chemische omgeving van MXene-oppervlaktegroepen werd geanalyseerd over individuele MXene-vlokken in vacuüm maar ook direct in een wateromgeving. Ze vonden dramatische verschillen tussen ongerepte MXenen en MXenen waartussen ureummoleculen waren geïntercaleerd.

Ureum verhoogt de capaciteit

De aanwezigheid van ureummoleculen verandert ook de elektrochemische eigenschappen van MXenen aanzienlijk. De oppervlaktecapaciteit verhoogd tot 1100 mF/cm ² , dat is 56 procent hoger dan ongerept Ti ₃ C ₂ Tx-elektroden op dezelfde manier bereid. De XAS-analyses bij BESSY II toonden aan dat de oppervlaktechemie verandert door de aanwezigheid van de ureummoleculen. "We konden ook de oxidatietoestand van de Ti-atomen op de Ti ₃ C ₂ Tx MXene-oppervlakken met behulp van X-PEEM. Deze oxidatietoestand was hoger met de aanwezigheid van ureum, wat het gemakkelijker kan maken om meer energie op te slaan, " zegt Ameer Al-Temimy, die de metingen uitvoerde in het kader van zijn doctoraat.