Comme une batterie, MXenes peut stocker de grandes quantités d'énergie électrique par le biais de réactions électrochimiques, mais contrairement aux batteries, peut être chargé et déchargé en quelques secondes. En collaboration avec l'Université Drexel, une équipe du HZB a montré que l'intercalation de molécules d'urée entre les couches de MXène peut augmenter la capacité de ces « pseudo-condensateurs » de plus de 50 %. À BESSY II, ils ont analysé comment les changements de la chimie de surface du MXène après l'intercalation de l'urée sont responsables de cela.

Il existe différentes solutions pour stocker l'énergie électrique :Batteries électrochimiques à base de lithium, par exemple, stocker de grandes quantités d'énergie, mais nécessitent de longs temps de charge. Supercondensateurs, d'autre part, sont capables d'absorber ou de libérer de l'énergie électrique extrêmement rapidement, mais stockent beaucoup moins d'énergie électrique.

Pseudocondensateur MXene

Une autre option se profile à l'horizon depuis 2011 :une nouvelle classe de matériaux 2D qui stockent d'énormes quantités de charge a été découverte à l'Université Drexel, aux Etats-Unis. Ce sont les soi-disant MXenes, Ti 3 C 2 Tx nanofeuillets qui forment ensemble un réseau bidimensionnel, semblable au graphène. Alors que le titane (Ti) et le carbone (C) sont des éléments, Tx décrit différents groupes chimiques qui scellent la surface, par exemple des groupes OH. Les MXenes sont des matériaux hautement conducteurs avec des surfaces hydrophiles et peuvent former des dispersions ressemblant à de l'encre noire, composé de particules en couches empilées dans l'eau.

Ti 3 C 2 Tx MXene peut stocker autant d'énergie que des batteries, mais peut être chargé ou déchargé en quelques dizaines de secondes. Alors que les supercondensateurs tout aussi rapides (ou plus rapides) absorbent leur énergie par adsorption électrostatique de charges électriques, l'énergie est stockée dans des liaisons chimiques à la surface des MXènes. Le stockage d'énergie est donc beaucoup plus efficace.

De nouvelles connaissances en chimie grâce aux méthodes de rayons X mous

En coopération avec le groupe de Yuri Gogotsi à l'Université Drexel, les scientifiques du HZB, le Dr Tristan Petit et Ameer Al-Temimy, ont pour la première fois utilisé la spectroscopie d'absorption des rayons X mous pour étudier des échantillons de MXene dans deux stations expérimentales :LiXEdrom et X-PEEM à BESSY II. Avec ces méthodes, l'environnement chimique des groupes de surface MXene a été analysé sur des flocons individuels de MXene sous vide mais aussi directement dans l'environnement aquatique. Ils ont trouvé des différences dramatiques entre les MXenes vierges et les MXenes entre lesquels des molécules d'urée étaient intercalées.

L'urée augmente la capacité

La présence de molécules d'urée modifie également de manière significative les propriétés électrochimiques des MXènes. La capacité de la zone a augmenté à 1100 mF/cm ² , qui est 56% plus élevé que pristineTi 3 C 2 Électrodes Tx préparées de la même manière. Les analyses XAS à BESSY II ont montré que la chimie de surface est modifiée par la présence des molécules d'urée. "Nous avons également pu observer l'état d'oxydation des atomes de Ti sur le Ti 3 C 2 Tx MXene surfaces en utilisant X-PEEM. Cet état d'oxydation était plus élevé avec la présence d'urée qui peut faciliter le stockage de plus d'énergie, " dit Ameer Al-Temimy, qui a effectué les mesures dans le cadre de son doctorat.