Fabricage van elektrisch geleidende poreuze silica via infiltratie van 2D MXene nanosheets. a) Bereiding van silicaschijven met unidirectionele porositeit via vriesgieten. De blauwe pijlen vertegenwoordigen de stollingsrichting en de hoofdporie-oriëntatie. De SEM-afbeeldingen tonen de horizontale (bovenste) en verticale (onderste) dwarsdoorsneden van de vervaardigde poreuze monsters (schaalbalk = 100 µm). b) Een met MXene geïnfiltreerd poreus silicamonster met een ingezoomde 3D-figuur die de dunne laagcoating van interne porieoppervlakken door MXene-vlokken toont, terwijl de structurele porositeit behouden blijft. Een sterk vergrotende, terugverstrooide SEM-afbeelding van een geïnfiltreerd monster toont de dunne laag MXene-coating (schaalbalk = 10 µm). c) MXeen-dispersie bereid met behulp van de minimaal intensieve laagdelaminering (MILD)-methode. d) De hydrodynamische diameterverdeling van 2D Ti3C2TX nanosheets voor de bereide MXene-dispersie. In de inzet wordt een solide model van de verspreide 2D-vlokken gegeven. e) TEM-afbeelding die de structuur en de grootte van een enkellaags Ti toont3C2TX nanosheet met pijlen die de omtrek ervan aangeven. Er wordt gebruik gemaakt van valse kleuren (paars) om te helpen bij de visualisatie. f) Thermogravimetrische analyse (TGA) resultaten voor de resterende massa van MXene-dispersie als functie van de temperatuur. De massawaarde bij 200° C wordt gebruikt voor het berekenen van de MXene-concentratie van dispersies. Credit: Geavanceerde materialen (2023). DOI: 10.1002/adma.202304757
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 groot zijn. 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.
De studie is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.
“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 publicatieis het oplosmiddel dat bij hun vriesgieten wordt gebruikt 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 het licht met succes aangedreven met hogere vermogensdichtheid en energiedichtheidswaarden dan eerder 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
Tijdschriftinformatie:
Geavanceerde materialen
Geleverd door Carnegie Mellon University Mechanical Engineering
