Científicos alemanes y americanos han demostrado una nueva
clase de materiales que aceleran el almacenamiento de energía eléctrica en
cuestión de segundos. Se trata de un carburo de titanio bidimensional, llamado
MXene. Al igual que una batería, almacena grandes cantidades de energía
eléctrica a través de reacciones electroquímicas, pero a diferencia de las
baterías, pueden cargarse y descargarse en cuestión de segundos.
En colaboración con la Universidad de Drexel, un equipo de
científicos del Hemholtz Zentrum Berlin (HZB) ha demostrado que el
almacenamiento de moléculas de urea entre las capas de MXene puede aumentar la
capacidad de dichos «pseudocondensadores» en más del 50%. En BESSY II,
analizaron qué cambios en la química de la superficie de MXene son responsables
de esto tras el almacenamiento de urea.
Existen varias soluciones para almacenar energía eléctrica:
las baterías electroquímicas basadas en litio almacenan grandes cantidades de
energía, pero requieren largos tiempos de carga. Los supercondensadores, por
otro lado, pueden absorber o liberar energía eléctrica extremadamente rápido,
pero almacenan mucha menos energía eléctrica.
Otra opción ha estado trabajándose desde 2011: en la
Universidad de Drexel, en EEUU, se descubrió una nueva clase de materiales 2D
que pueden almacenar enormes cantidades de carga. Estos son los llamados
MXenes, nanohojas hechas de moléculas de Ti 3 C 2 T x que, como el grafeno,
forman una red bidimensional. Mientras que el titanio (Ti) y el carbono (C) son
elementos, T x denota diferentes grupos químicos que sellan la superficie, por
ejemplo, grupos OH. Los MXene son materiales altamente conductores con una
superficie hidrofílica. En el agua forman dispersiones que recuerdan a la tinta
negra.
Ti 3 C 2 T x puede almacenar tanta energía como una batería,
pero puede cargarse o descargarse en décimas de segundo. Mientras que los
supercondensadores igualmente rápidos (o más rápidos) absorben su energía a
través de la adsorción electrostática de cargas eléctricas, la energía en MXene
se almacena en enlaces químicos en sus superficies. Este tipo de almacenamiento
de energía es mucho más eficiente.
En cooperación con el grupo Yuri Gogotsi de la Universidad
de Drexel, los científicos del HZB Tristan Petit y Ameer Al-Temimy ahora usan
la espectroscopía de absorción de rayos X suave en BESSY II por primera vez
para examinar muestras de MXene en las estaciones experimentales LiXEdrom y
X-PEEM. Pudieron analizar el entorno químico de los grupos de superficie MXene
en el vacío, pero también directamente en un entorno acuático. Examinaron
muestras de MXenes puros y de MXenes con moléculas de urea incrustadas y
encontraron diferencias dramáticas.
La urea aumenta la capacidad
La presencia de moléculas de urea cambia las propiedades
electroquímicas de los MXenes significativamente. La capacitancia de la
superficie aumentó a 1100 mF / cm 2 , que es un 56% más alta que con electrodos
Ti 3 C 2 T x puros preparados de manera similar .
Los análisis XAS en BESSY II mostraron que la química de la
superficie cambia debido a la presencia de las moléculas de urea. «En X-PEEM,
también pudimos observar el estado de oxidación de los átomos de Ti en las
superficies de Ti 3 C 2 T x . Este estado de oxidación aumentó debido a la
presencia de urea, lo que podría facilitar el almacenamiento de más energía»,
dice Ameer Al- Temimy, quien realizó las mediciones para su tesis doctoral.
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