Supermercado MXene: Determinada una nueva estructura de hidratación protónica

14.03.2023 - Alemania

Los MXenos son capaces de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica como las baterías y de cargarse y descargarse con bastante rapidez como un supercondensador. Combinan ambos talentos, por lo que constituyen una clase muy interesante de materiales para el almacenamiento de energía. El material está estructurado como una especie de hojaldre, con las capas de MXeno separadas por finas películas de agua. Un equipo del HZB ha investigado cómo migran los protones en las películas de agua confinadas entre las capas del material y permiten el transporte de carga. Sus resultados se han publicado en la revista Nature Communications y podrían acelerar la optimización de este tipo de materiales de almacenamiento de energía.

Uno de los mayores retos para conseguir un suministro energético neutro desde el punto de vista climático es el almacenamiento de energía eléctrica. Las baterías convencionales pueden almacenar grandes cantidades de energía, pero los procesos de carga y descarga llevan tiempo. Los supercondensadores, en cambio, se cargan muy rápidamente, pero su capacidad de almacenamiento es limitada. Sólo en los últimos años se ha hablado de una nueva clase de materiales que combinan las ventajas de las pilas con las de los supercondensadores, los llamados pseudocondensadores.

Materiales prometedores: Pseudocondensadores

Entre los materiales pseudocondensadores, parecen especialmente prometedores los llamados MXenos, compuestos por una amplia familia de carburos y nitruros de metales de transición 2D. Su estructura se asemeja a un hojaldre, con las capas individuales separadas por una fina película de agua que permite el transporte de cargas. Los MXenos de carburo de titanio, en particular, son conductores, y su estructura en capas combinada con superficies hidrofílicas de alta carga negativa ofrece un material único en el que los iones de carga positiva, como los protones, pueden difundirse con gran eficacia. Los MXenos utilizados en este estudio se sintetizaron en el grupo del profesor Yury Gogotsi de la Universidad de Drexel (EE.UU.).

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En los últimos años, esta propiedad se ha utilizado para almacenar y liberar energía de protones a velocidades sin precedentes en entornos ácidos. Sin embargo, aún no está claro si las cargas se almacenan principalmente por adsorción de protones en la superficie del MXeno o por desolvatación de protones en la capa intermedia de MXeno.

Efecto de confinamiento esperado

Debido a su geometría bidimensional, se espera que la película de agua de 2-3 capas de espesor atrapada entre las capas de MXeno disuelva los protones de forma diferente al agua en masa que conocemos clásicamente. Aunque se supone que este efecto de confinamiento desempeña un papel en la rápida difusión de protones en el interior de los materiales de MXeno, hasta ahora ha sido imposible caracterizar los protones en el interior de un electrodo de MXeno durante la carga y la descarga.

Modos vibracionales analizados

El equipo dirigido por el Dr. Tristan Petit en HZB lo ha conseguido por primera vez analizando los modos vibracionales de los protones excitados por luz infrarroja. La Dra. Mailis Lounasvuori, investigadora postdoctoral, ha desarrollado una célula electroquímica operando que ha utilizado para analizar protones y agua en el interior de MXenes de carburo de titanio en BESSY II durante los procesos de carga y descarga. En el proceso, también consiguió destilar la firma especial de los protones en el agua confinada entre las capas de MXeno.

"Estos patrones vibracionales son muy diferentes de los que observaríamos para los protones en un entorno de agua tridimensional", afirma Mailis Lounasvuori.

"El hecho de que las moléculas de agua absorban la radiación infrarroja con especial intensidad, mientras que el MXeno emite muy poca luz en este rango de energía, hizo que la espectroscopia IR fuera ideal para nuestra pregunta", explica Petit.

Explicación de la difusión rápida

Esta inusual estructura de hidratación, que muestra que los protones son solvatados por menos moléculas de agua bajo confinamiento que en el agua en masa, sugiere que la desolvatación de protones tras la intercalación entre capas de MXeno puede contribuir al almacenamiento pseudocapacitivo de energía en entornos ácidos. También podría explicar por qué los protones se difunden con especial rapidez dentro de los materiales de MXeno, lo que está relacionado con su rápido tiempo de descarga. Más allá de las aplicaciones de almacenamiento de energía, este trabajo demuestra que los MXenos son una plataforma ideal para investigar las propiedades fundamentales de las especies químicas confinadas, que sin duda tienen otras propiedades químicas nuevas que quedan por descubrir.

Esta técnica se seguirá aplicando a otros tipos de cationes además de los protones (como el ion ^Li+ ) que se difunden en el interior de materiales de MXeno para desentrañar nuevos mecanismos de almacenamiento de energía pseudocapacitiva en el marco de una subvención de inicio del ERC concedida en 2020.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

Mailis Lounasvuori, Yangyunli Sun, Tyler S. Mathis, Ljiljana Puskar, Ulrich Schade, De-En Jiang, Yury Gogotsi, Tristan Petit; Vibrational signature of hydrated protons conﬁned in MXene interlayers; Nature communications (2023)

https://www.quimica.es/noticias/1179820/supermercado-mxene-determinada-una-nueva-estructura-de-hidratacion-protonica.html