Met een hele reeks indrukwekkende eigenschappen zijn overgangsmetaalcarbiden, doorgaans MXenen genoemd, opwindende nanomaterialen die worden onderzocht in de energieopslagsector. MXenen zijn tweedimensionale materialen die bestaan ​​uit vlokken zo dun als enkele nanometers.

Hun uitstekende mechanische sterkte, ultrahoge oppervlakte-tot-volumeverhouding en superieure elektrochemische stabiliteit maken ze veelbelovende kandidaten als supercondensatoren – dat wil zeggen, zolang ze kunnen worden gerangschikt in 3D-architecturen waar er voldoende volume aan nanomaterialen is en hun grote oppervlakken beschikbaar voor reacties.

Tijdens de verwerking hebben MXenen de neiging zich opnieuw te stapelen, waardoor de toegankelijkheid in gevaar komt en de prestaties van individuele vlokken worden belemmerd, waardoor enkele van hun aanzienlijke voordelen worden verminderd. Om dit obstakel te omzeilen, hebben Rahul Panat en Burak Ozdoganlar, samen met Ph.D. kandidaat Mert Arslanoglu, van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Carnegie Mellon Universiteit, heeft een geheel nieuw materiaalsysteem ontwikkeld dat 2D MXene-nanosheets in een 3D-structuur rangschikt.

Dit wordt bereikt door MXene te infiltreren in een poreuze keramische steiger of ruggengraat. De keramische ruggengraat wordt vervaardigd met behulp van de vriesgiettechniek, die structuren met open poriën produceert met gecontroleerde porieafmetingen en porierichting.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

"We zijn in staat MXene-vlokken, gedispergeerd in een oplosmiddel, te infiltreren in een gevriesdroogde poreuze keramische structuur", legt Panat, hoogleraar werktuigbouwkunde, uit. "Terwijl het systeem droogt, bedekken de 2D MXene-vlokken gelijkmatig de interne oppervlakken van de onderling verbonden poriën van het keramiek zonder essentiële eigenschappen te verliezen."

Zoals beschreven in hun eerdere publicatie, is het oplosmiddel dat wordt gebruikt bij hun vriesgietaanpak een chemische stof genaamd camfeen, die bij bevriezing boomachtige dendritische structuren produceert. Andere soorten poriënverdelingen kunnen ook worden verkregen door verschillende oplosmiddelen te gebruiken.

Om de monsters te testen, construeerde het team 'sandwich-type' supercondensatoren met twee elektroden en verbond deze met een LED-lamp met een bedrijfsspanning van 2,5 V. De supercondensatoren hebben de lamp met succes aangedreven met hogere vermogensdichtheid en energiedichtheidswaarden dan voorheen verkregen voor op MXene gebaseerde supercondensatoren.

"We hebben niet alleen een uitzonderlijke manier gedemonstreerd om MXene te gebruiken, we hebben dit ook gedaan op een manier die reproduceerbaar en schaalbaar is", zegt Ozdoganlar, tevens hoogleraar werktuigbouwkunde. "Ons nieuwe materiaalsysteem kan in massa worden vervaardigd in de gewenste afmetingen voor gebruik in commerciële apparaten. Wij geloven dat dit een enorme impact kan hebben op energieopslagapparaten, en dus op toepassingen zoals elektrische voertuigen."

Met uitstekende experimentele resultaten en elektrische geleidbaarheid die nauwkeurig kan worden afgesteld door de MXene-concentratie en de porositeit van de ruggengraat te regelen, heeft dit materiaalsysteem verreikende mogelijkheden voor batterijen, brandstofcellen, decarbonisatiesystemen en katalytische apparaten. Mogelijk zien we op een dag zelfs een MXene-supercondensator onze elektrische voertuigen aandrijven.

"Onze aanpak kan worden toegepast op andere materialen op nanoschaal, zoals grafeen, en de ruggengraat kan worden opgebouwd uit materialen die verder gaan dan keramiek, inclusief polymeren en metalen", aldus Panat. "Deze structuur zou een breed scala aan opkomende en nieuwe technologietoepassingen mogelijk kunnen maken."

Meer informatie: Mert Arslanoglu et al, 3D-assemblage van MXene-netwerken met behulp van een keramische ruggengraat met gecontroleerde porositeit, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202304757

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Geleverd door Carnegie Mellon University Werktuigbouwkunde