Med en mängd imponerande egenskaper är övergångsmetallkarbider, vanligtvis kallade MXenes, spännande nanomaterial som utforskas inom energilagringssektorn. MXener är tvådimensionella material som består av flingor så tunna som några nanometer.
Deras enastående mekaniska styrka, ultrahöga yta-till-volymförhållande och överlägsna elektrokemiska stabilitet gör dem till lovande kandidater som superkondensatorer – det vill säga så länge de kan arrangeras i 3D-arkitekturer där det finns en tillräcklig volym av nanomaterial och deras stora ytor är tillgänglig för reaktioner.
Under bearbetning tenderar MXenes att staplas om, vilket äventyrar tillgängligheten och försämrar prestanda hos enskilda flingor, vilket minskar några av deras betydande fördelar. För att kringgå detta hinder, Rahul Panat och Burak Ozdoganlar, tillsammans med Ph.D. kandidat Mert Arslanoglu, från Mechanical Engineering Department vid Carnegie Mellon University, har utvecklat ett helt nytt materialsystem som arrangerar 2D MXene nanosheets i en 3D-struktur.
Detta uppnås genom att infiltrera MXene i en porös keramisk ställning eller ryggrad. Den keramiska stommen är tillverkad med frysgjutningstekniken, som producerar strukturer med öppna porer med kontrollerade pordimensioner och porriktningar.
Studien publiceras i tidskriften Advanced Materials .
"Vi kan infiltrera MXene-flingor dispergerade i ett lösningsmedel till en frysgjuten porös keramisk struktur", förklarade Panat, professor i maskinteknik. "När systemet torkar täcker 2D MXene-flingorna de invändiga ytorna av de sammankopplade porerna i keramiken utan att förlora några väsentliga egenskaper."
Som beskrivits i deras tidigare publikation är lösningsmedlet som används i deras frysgjutning en kemikalie som kallas kamfen, som producerar trädliknande dendritiska strukturer när den fryses. Andra typer av porfördelningar kan också erhållas genom att använda olika lösningsmedel.
För att testa proverna konstruerade teamet "sandwich-typ" superkondensatorer med två elektroder och kopplade dem till ett LED-ljus med en driftsspänning på 2,5V. Superkondensatorerna drev framgångsrikt ljuset med högre effekttäthet och energitäthetsvärden än vad som tidigare erhållits för alla MXene-baserade superkondensatorer.
"Vi har inte bara visat ett exceptionellt sätt att använda MXene, vi har gjort det på ett sätt som är reproducerbart och skalbart", säger Ozdoganlar, också professor i maskinteknik. "Vårt nya materialsystem kan masstillverkas i önskade dimensioner för att användas i kommersiella enheter. Vi tror att detta kan ha en enorm inverkan på energilagringsenheter och därmed på applikationer som elfordon."
Med enastående experimentella resultat och elektrisk ledningsförmåga som kan finjusteras genom att kontrollera MXene-koncentrationen och ryggradens porositet, har detta materialsystem en långtgående potential för batterier, bränsleceller, avkolningssystem och katalytiska enheter. Vi kanske till och med ser en MXene-superkondensator som driver våra elfordon en dag.
"Vårt tillvägagångssätt kan tillämpas på andra material i nanoskala, som grafen, och ryggraden kan byggas från material bortom keramik, inklusive polymerer och metaller," sa Panat. "Denna struktur kan möjliggöra ett brett utbud av nya och nya teknologiapplikationer."
Mer information: Mert Arslanoglu et al, 3D-sammansättning av MXene-nätverk med hjälp av en keramisk ryggrad med kontrollerad porositet, avancerat material (2023). DOI:10.1002/adma.202304757
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Carnegie Mellon University Mechanical Engineering
