Dotés de nombreuses propriétés impressionnantes, les carbures de métaux de transition, généralement appelés MXènes, sont des nanomatériaux passionnants explorés dans le secteur du stockage d'énergie. Les MXènes sont des matériaux bidimensionnels constitués de flocons aussi fins que quelques nanomètres.
Leur résistance mécanique exceptionnelle, leur rapport surface/volume ultra élevé et leur stabilité électrochimique supérieure en font des candidats prometteurs en tant que supercondensateurs, c'est-à-dire à condition qu'ils puissent être disposés dans des architectures 3D où il y a un volume suffisant de nanomatériaux et où leurs grandes surfaces sont disponible pour les réactions.
Au cours du traitement, les MXenes ont tendance à se réempiler, compromettant l'accessibilité et entravant les performances des flocons individuels, diminuant ainsi certains de leurs avantages significatifs. Pour contourner cet obstacle, Rahul Panat et Burak Ozdoganlar, ainsi qu'un doctorat. Le candidat Mert Arslanoglu, du département de génie mécanique de l'Université Carnegie Mellon, a développé un tout nouveau système de matériaux qui organise les nanofeuilles de MXene 2D dans une structure 3D.
Ceci est accompli en infiltrant du MXene dans un échafaudage ou une structure en céramique poreuse. Le squelette en céramique est fabriqué à l'aide de la technique de moulage par congélation, qui produit des structures à pores ouverts avec des dimensions et une directionnalité de pores contrôlées.
L'étude est publiée dans la revue Advanced Materials .
"Nous sommes capables d'infiltrer des flocons de MXène dispersés dans un solvant dans une structure céramique poreuse congelée", a expliqué Panat, professeur de génie mécanique. "Au fur et à mesure que le système sèche, les flocons 2D MXene recouvrent uniformément les surfaces internes des pores interconnectés de la céramique sans perdre aucun attribut essentiel."
Comme décrit dans leur publication précédente, le solvant utilisé dans leur approche de coulée par congélation est un produit chimique appelé camphène, qui produit des structures dendritiques arborescentes lorsqu'il est congelé. D'autres types de distributions de pores peuvent également être obtenus en utilisant différents solvants.
Pour tester les échantillons, l'équipe a construit des supercondensateurs à deux électrodes de type « sandwich » et les a connectés à une lumière LED avec une tension de fonctionnement de 2,5 V. Les supercondensateurs ont réussi à alimenter la lumière avec des valeurs de densité de puissance et de densité d'énergie plus élevées que celles obtenues précédemment pour tous les supercondensateurs à base de MXene.
"Non seulement nous avons démontré une manière exceptionnelle d'utiliser le MXene, mais nous l'avons fait d'une manière reproductible et évolutive", a déclaré Ozdoganlar, également professeur de génie mécanique. "Notre nouveau système de matériaux peut être fabriqué en série aux dimensions souhaitées pour être utilisé dans des appareils commerciaux. Nous pensons que cela peut avoir un impact considérable sur les dispositifs de stockage d'énergie, et donc sur des applications telles que les véhicules électriques."
Avec des résultats expérimentaux exceptionnels et une conductivité électrique qui peut être finement ajustée en contrôlant la concentration de MXène et la porosité du squelette, ce système matériel présente un potentiel considérable pour les batteries, les piles à combustible, les systèmes de décarbonation et les dispositifs catalytiques. Nous verrons peut-être même un jour un supercondensateur MXene alimenter nos véhicules électriques.
"Notre approche peut être appliquée à d'autres matériaux à l'échelle nanométrique, comme le graphène, et le squelette peut être construit à partir de matériaux autres que la céramique, notamment des polymères et des métaux", a déclaré Panat. "Cette structure pourrait permettre un large éventail d'applications technologiques émergentes et nouvelles."
Plus d'informations : Mert Arslanoglu et al, Assemblage 3D de réseaux MXene à l'aide d'un squelette en céramique à porosité contrôlée, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202304757
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par Carnegie Mellon University Mechanical Engineering
