Fabrication de silice poreuse électriquement conductrice via infiltration de nanofeuilles de MXène 2D. a) Préparation de disques de silice à porosité unidirectionnelle par congélation. Les flèches bleues représentent la direction de solidification et l’orientation principale des pores. Les images SEM montrent les sections transversales horizontales (en haut) et verticales (en bas) des échantillons poreux fabriqués (barre d’échelle = 100 µm). b) Un échantillon de silice poreuse infiltré par du MXène avec une figure 3D agrandie montrant le revêtement en couche mince des surfaces des pores internes par des flocons de MXène tout en préservant la porosité structurelle. Une image SEM rétrodiffusée à fort grossissement d’un échantillon infiltré montre le revêtement en couche mince de MXène (barre d’échelle = 10 µm). c) Dispersion de MXène préparée en utilisant la méthode de délaminage de couche à intensité minimale (MILD). d) La distribution hydrodynamique des diamètres du Ti 2D3C2TX nanofeuilles pour la dispersion de MXène préparée. Un modèle solide des flocons 2D dispersés est donné en encadré. e) Image TEM montrant la structure et la taille d’un Ti monocouche3C2TX nanofeuille avec des flèches indiquant sa périphérie. Une fausse coloration (violet) est utilisée pour faciliter la visualisation. f) Résultats de l’analyse thermogravimétrique (TGA) de la masse restante de dispersion de MXène en fonction de la température. La valeur massique à 200°C est utilisée pour calculer la concentration en MXène des dispersions. Crédit: Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202304757
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.
Pendant le 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 que Ph.D. 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 Matériaux avancés.
“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 répartitions 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’information:
Mert Arslanoglu et al, Assemblage 3D de réseaux MXene utilisant un squelette en céramique à porosité contrôlée, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202304757
Fourni par le génie mécanique de l’Université Carnegie Mellon
Citation: De la 2D à la 3D : le chemin de MXene pour révolutionner le stockage d’énergie et plus encore (20 novembre 2023) récupéré le 20 novembre 2023 sur
Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.
