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MXenes

En la ciencia de los materiales , los MXenos son una clase de compuestos inorgánicos bidimensionales junto con los MBenos, que consisten en capas atómicamente delgadas de carbur...

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En la ciencia de los materiales , los MXenos son una clase de compuestos inorgánicos bidimensionales junto con los MBenos, que consisten en capas atómicamente delgadas de carburos , nitruros o carbonitruros de metales de transición. Los MXenos aceptan una variedad de terminaciones hidrófilas. [1] [2] El primer MXeno se informó en 2011 en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel . [1]

Estructura

Imagen de microscopio electrónico de barrido del MXene producido por grabado con HF de Ti3AlC2

Los MXenos sintetizados preparados mediante grabado con HF tienen una morfología similar a un acordeón , que puede denominarse MXeno multicapa (ML-MXene) o MXeno de pocas capas (FL-MXene) si tienen menos de cinco capas. Debido a que las superficies de los MXenos pueden terminarse con grupos funcionales, se puede utilizar la convención de denominación M n+1 X n T x , donde T es un grupo funcional (por ejemplo, O, F, OH, Cl). [2]

Transición mono

Los MXenes adoptan tres estructuras con un metal en el sitio M, heredadas de las fases MAX progenitoras : M 2 C, M 3 C 2 y M 4 C 3 . Se producen mediante el grabado selectivo del elemento A de una fase MAX u otro precursor en capas (por ejemplo, Mo 2 Ga 2 C), que tiene la fórmula general M n+1 AX n , donde M es un metal de transición temprano, A es un elemento del grupo 13 o 14 de la tabla periódica, X es C y/o N, y n = 1–4. [3] Las fases MAX tienen una estructura hexagonal en capas con simetría P6 3 /mmc, donde las capas M están casi cerradas y los átomos X llenan los sitios octaédricos. [2] Por lo tanto, las capas M n+1 X n están intercaladas con el elemento A, que está unido metálicamente al elemento M. [4] [5]

Doble transición

Los MXenos de doble metal de transición pueden tomar dos formas, MXenos de doble metal de transición ordenados o MXenos de solución sólida. Para los MXenos de doble metal de transición ordenados, tienen las fórmulas generales: M' 2 M"C 2 o M' 2 M" 2 C 3 donde M' y M" son diferentes metales de transición. Los carburos de doble metal de transición que se han sintetizado incluyen Mo 2 TiC 2 , Mo 2 Ti 2 C 3 , Cr 2 TiC 2 y Mo 4 VC 4 . En algunos de estos MXenos (como Mo 2 TiC 2 , Mo 2 Ti 2 C 3 y Cr 2 TiC 2 ), los átomos de Mo o Cr están en los bordes externos del MXeno y estos átomos controlan las propiedades electroquímicas de los MXenos. [6]

Para los MXenos en solución sólida, tienen las fórmulas generales: (M' 2−y M" y )C, (M' 3−y M" y )C 2 , (M' 4−y M" y )C 3 , o (M' 5−y M" y )C 4 , donde los metales se distribuyen aleatoriamente a lo largo de la estructura en soluciones sólidas, lo que genera propiedades continuamente adaptables. [7]

Divacante

Al diseñar un laminado atómico tridimensional (Mo 2/3 Sc 1/3 ) 2 AlC, con ordenamiento químico en el plano, y al grabar selectivamente los átomos de Al y Sc, existe evidencia de láminas bidimensionales de Mo 1.33 C con divacantes metálicas ordenadas. [8]

Síntesis

Los MXenes se producen mediante el grabado selectivo del elemento "A" de la estructura de la fase MAX

Los MXenos se sintetizan típicamente mediante un proceso de grabado selectivo de arriba hacia abajo . Esta ruta sintética es escalable, sin pérdida o cambio en las propiedades a medida que aumenta el tamaño del lote. [9] [10] La producción de un MXeno mediante el grabado de una fase MAX ocurre principalmente mediante el uso de soluciones de grabado fuertes que contienen un ion fluoruro (F − ), como ácido fluorhídrico (HF), [2] bifluoruro de amonio (NH 4 HF 2 ), [11] y una mezcla de ácido clorhídrico (HCl) y fluoruro de litio (LiF). [12] Por ejemplo, el grabado de Ti 3 AlC 2 en HF acuoso a temperatura ambiente hace que los átomos de A (Al) se eliminen selectivamente, y la superficie de las capas de carburo se termina con átomos de O, OH y/o F. [13] [14] El MXeno también se puede obtener en sales fundidas de ácidos de Lewis, como ZnCl 2 , y se puede realizar una terminal Cl. [15] El MXene con terminación Cl es estructuralmente estable hasta 750 °C. [16] Se demostró que un enfoque general de sal fundida de ácido de Lewis es viable para grabar la mayoría de los miembros de las fases MAX (como los precursores de la fase MAX con elementos A Si, Zn y Ga) mediante algunas otras masas fundidas (CdCl 2 , FeCl 2 , CoCl 2 , CuCl 2 , AgCl y NiCl 2 ). [17]

El MXene Ti 4 N 3 fue el primer MXene de nitruro reportado, y se prepara mediante un procedimiento diferente a los utilizados para los MXenes de carburo. Para sintetizar Ti 4 N 3 , la fase MAX Ti 4 AlN 3 se mezcla con una mezcla de sal de fluoruro eutéctica fundida de fluoruro de litio , fluoruro de sodio y fluoruro de potasio y se trata a temperaturas elevadas. Este procedimiento graba el Al, produciendo Ti 4 N 3 multicapa , que puede deslaminarse aún más en capas simples y pocas capas sumergiendo el MXene en hidróxido de tetrabutilamonio , seguido de sonicación. [18]

Los MXenes también se pueden sintetizar directamente o mediante procesos de CVD. [19] Recientemente, la monocapa monocristalina W5N6 se ha sintetizado con éxito mediante CVD a escala de oblea [20] [21] , lo que muestra la promesa de los MXenes en aplicaciones electrónicas en el futuro.

Desde su primer descubrimiento, los científicos han buscado un proceso de síntesis más eficaz y eficiente. En un informe de 2018, Peng et al. describieron una técnica de grabado hidrotermal. [22] En este método de grabado, la fase MAX se trata en la solución de ácido y sal en condiciones de alta presión y temperatura. El método es más eficaz para producir puntos y nanoláminas de MXene. [23] Además, es más seguro ya que no hay liberación de humos de HF durante el proceso de grabado. [22]

Tipos

2-1 MXenes: Ti 2 C, [24] V 2 C, [25] Nb 2 C, [25] Mo 2 C [26] Mo 2 N, [27] Ti 2 N, [28] (Ti 2− y Nb y )C, [7] (V 2−y Nb y )C, [7] (Ti 2−y V y )C, [7] W 1.33 C, [29] Nb 1.33 C, [30] Mo 1,33 C, [31] Mo 1,33 Y 0,67 C [31]

3-2 MXenos: Ti 3 C 2 , [1] Ti 3 CN, [24] Zr 3 C 2 [32] y Hf 3 C 2 [33]

4-3 M-Menos: Ti 4 N 3 , [18] Nb 4 C 3 , [34] Ta 4 C 3 , [24] V 4 C 3 , [35] (Mo,V) 4 C 3 [36]

5-4 Mxeneos: Mo 4 VC 4 [3]

MXenes de doble metal de transición:

2-1-2 MXenos: Mo 2 TiC 2 , [6] Cr 2 TiC 2 , [6] Mo 2 ScC 2 [37]

2-2-3 MXenes: Mo 2 Ti 2 C 3 [6]

Modificación de superficie covalente

Las superficies de carburos de metales de transición 2D se pueden transformar químicamente con una variedad de grupos funcionales como terminaciones de superficie de O, NH, S, Cl, Se, Br y Te, así como MXenos desnudos. [38] La estrategia implica la instalación y eliminación de los grupos de superficie mediante la realización de reacciones de sustitución y eliminación en sales inorgánicas fundidas. [39] La unión covalente de moléculas orgánicas a superficies de MXenos se ha demostrado a través de la reacción con sales de aril diazonio . [40]

Intercalación y delaminación

Dado que los MXenos son sólidos estratificados y la unión entre las capas es débil, es posible la intercalación de las moléculas huésped en los MXenos. Las moléculas huésped incluyen dimetilsulfóxido (DMSO) , hidrazina y urea . [2] Por ejemplo, N2H4 ( hidrazina ) se puede intercalar en Ti3C2 ( OH) 2 con las moléculas paralelas a los planos basales del MXeno para formar una monocapa. La intercalación aumenta el parámetro de red c del MXeno (parámetro de estructura cristalina que es directamente proporcional a la distancia entre las capas individuales del MXeno), lo que debilita la unión entre las capas de MX. [ 2 ] Los iones , incluidos Li + , Pb2 + y Al3 + , también se pueden intercalar en los MXenos, ya sea de forma espontánea o cuando se aplica un potencial negativo a un electrodo de MXeno. [41]

Delaminación

El Ti3C2MXene producido por grabado HF tiene una morfología similar a un acordeón con fuerzas residuales que mantienen juntas las capas de MXene evitando la separación en capas individuales. Aunque esas fuerzas son bastante débiles, el tratamiento por ultrasonidos solo da como resultado rendimientos muy bajos de escamas de una sola capa. Para la delaminación a gran escala, se intercala DMSO en polvos de ML-MXene bajo agitación constante para debilitar aún más la unión entre capas y luego se deslamina con tratamiento por ultrasonido. Esto da como resultado una separación de capas a gran escala y la formación de soluciones coloidales de FL-MXene. Estas soluciones se pueden filtrar más tarde para preparar "papel" de MXene (similar al papel de óxido de grafeno ). [42]

Arcilla MXene

Para el caso de Ti 3 C 2 T x y Ti 2 CT x , el grabado con ácido fluorhídrico concentrado conduce a una morfología abierta, similar a un acordeón, con una distancia compacta entre capas (esto también es común para otras composiciones de MXene). Para dispersarse en suspensión, el material debe estar preintercalado con algo como dimetilsulfóxido. Sin embargo, cuando el grabado se realiza con ácido clorhídrico y LiF como fuente de fluoruro, la morfología es más compacta con un mayor espaciamiento entre capas, presumiblemente debido a las cantidades de agua intercalada. [12] Se ha descubierto que el material es "similar a la arcilla": como se ve en materiales arcillosos (por ejemplo, arcillas de esmectita y caolinita), Ti 3 C 2 T x demuestra la capacidad de expandir su hidratación de distancia entre capas y puede intercambiar reversiblemente cationes del Grupo I y del Grupo II que equilibran la carga. [43] Además, cuando se hidrata, la arcilla MXene se vuelve flexible y se puede moldear en las formas deseadas, convirtiéndose en un sólido duro al secarse. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de las arcillas, la arcilla MXene muestra una alta conductividad eléctrica al secarse y es hidrófila , y se dispersa en láminas bidimensionales de una sola capa en agua sin surfactantes . Además, debido a estas propiedades, se puede enrollar en electrodos independientes sin aditivos para aplicaciones de almacenamiento de energía .

Procesamiento de materiales

Los MXenes se pueden procesar en solución en solventes orgánicos acuosos o polares, como agua, etanol , dimetilformamida , carbonato de propileno , etc., [44] lo que permite varios tipos de deposición a través de filtración al vacío, recubrimiento por centrifugación , recubrimiento por aspersión, recubrimiento por inmersión y fundición con rodillo. [ 45] [46] [47] Se han realizado estudios sobre la impresión por inyección de tinta de tintas Ti3C2Tx sin aditivos y tintas compuestas de Ti3C2Tx y proteínas . [ 48 ] [49]

El tamaño lateral de las escamas a menudo juega un papel en las propiedades observadas y hay varias rutas sintéticas que producen distintos grados de tamaño de escamas. [45] [50] Por ejemplo, cuando se utiliza HF como agente de grabado, el paso de intercalación y delaminación requerirá sonicación para exfoliar el material en escamas individuales, lo que da como resultado escamas que tienen varios cientos de nanómetros de tamaño lateral. Esto es beneficioso para aplicaciones como catálisis y aplicaciones biomédicas y electroquímicas seleccionadas. Sin embargo, si se justifican escamas más grandes, especialmente para aplicaciones electrónicas u ópticas, son necesarias escamas libres de defectos y de área grande. Esto se puede lograr mediante el método de delaminación de capa mínimamente intensiva (MILD), donde la cantidad de LiF a la fase MAX se aumenta, lo que da como resultado escamas que se pueden desminar in situ al lavar a pH neutro. [45]

También se han investigado técnicas de procesamiento posterior a la síntesis para adaptar el tamaño de las escamas, como la sonicación, la centrifugación diferencial y los procedimientos de centrifugación por gradiente de densidad. [51] [52] Los métodos de posprocesamiento dependen en gran medida del tamaño de las escamas tal como se producen. El uso de la sonicación permite una disminución del tamaño de las escamas de 4,4 μm (tal como se producen) a un promedio de 1,0 μm después de 15 minutos de sonicación en baño (100 W, 40 kHz), hasta 350 nm después de 3 horas de sonicación en baño. Al utilizar la sonicación de la sonda (pulso de 8 s ON, 2 s OFF, 250 W), las escamas se redujeron a un promedio de 130 nm en tamaño lateral. [51] La centrifugación diferencial , también conocida como centrifugación en cascada, se puede utilizar para seleccionar copos en función del tamaño lateral aumentando la velocidad de la centrífuga de forma secuencial desde velocidades bajas (por ejemplo, 1000 rpm) a velocidades altas (por ejemplo, 10000 rpm) y recogiendo el sedimento. Cuando se realizó esto, se pueden obtener copos "grandes" (800 nm), "medianos" (300 nm) y "pequeños" (110 nm). [52] La centrifugación por gradiente de densidad también es otro método para seleccionar copos en función del tamaño lateral, donde se emplea un gradiente de densidad en el tubo de centrífuga y los copos se mueven a través del tubo de centrífuga a diferentes velocidades en función de la densidad de los copos en relación con el medio. En el caso de la clasificación de MXenes, se puede utilizar un gradiente de densidad de sacarosa y agua del 10 al 66 % p/v  . [51] El uso de gradientes de densidad permite distribuciones más monodispersas en tamaños de escamas y los estudios muestran que la distribución de escamas se puede variar de 100 a 10 μm sin emplear sonicación. [51]

Propiedades

Con una alta densidad electrónica en el nivel de Fermi, se predice que las monocapas de MXene serán metálicas. [1] [53] [54] [55] [56] En fases MAX, N(E F ) es principalmente orbitales M 3d, y los estados de valencia por debajo de E F están compuestos de dos subbandas. Una, la subbanda A, hecha de orbitales hibridados Ti 3d-Al 3p, está cerca de E F , y otra, la subbanda B, −10 a −3 eV por debajo de E F que se debe a orbitales hibridados Ti 3d-C 2p y Ti 3d-Al 3s. Dicho de otra manera, la subbanda A es la fuente de enlaces Ti-Al, mientras que la subbanda B es la fuente de enlaces Ti-C. La eliminación de las capas A hace que los estados 3d de Ti se redistribuyan desde los enlaces Ti-Al faltantes a estados de enlace metálico Ti-Ti deslocalizados cerca de la energía de Fermi en Ti 2 , por lo tanto, N(E F ) es 2,5–4,5 veces mayor para MXenes que para fases MAX. [1] Experimentalmente, no se ha demostrado que el mayor N(E F ) previsto para MXenes conduzca a resistividades mayores que las fases MAX correspondientes. Las posiciones de energía de las bandas O 2p (~6 eV) y F 2p (~9 eV) del nivel de Fermi de Ti 2 CT x y Ti 3 C 2 T x dependen de los sitios de adsorción y de las longitudes de enlace a las especies de terminación. [57] Se observan cambios significativos en la coordinación Ti-O/F con el aumento de la temperatura en el tratamiento térmico. [58]

Se predice que sólo los MXenes sin terminaciones superficiales serán magnéticos. Se predice que Cr 2 C, Cr 2 N y Ta 3 C 2 serán ferromagnéticos; se predice que Ti 3 C 2 y Ti 3 N 2 serán antiferromagnéticos. Ninguna de estas propiedades magnéticas se ha demostrado experimentalmente hasta el momento. [1]

Óptico

Las membranas de MXenes, como Ti 3 C 2 y Ti 2 C, tienen colores oscuros, lo que indica su fuerte absorción de luz en las longitudes de onda visibles. Los MXenes son materiales fototérmicos prometedores debido a su fuerte absorción de luz visible. [59] [60] Más interesante aún, se informa que las propiedades ópticas de MXenes como Ti 3 C 2 y Ti 2 C en la región IR difieren bastante de las de las longitudes de onda visibles. [61] Para las longitudes de onda superiores a 1,4 micrómetros, estos materiales muestran permitividad negativa, lo que resulta en una fuerte respuesta metálica a la luz IR. En otras palabras, son altamente reflectantes a las luces IR. De la ley de radiación de Kirchhoff, una baja absorción IR significa una baja emisividad IR. Los dos materiales MXenes muestran una emisividad IR tan baja como 0,1, que es similar a algunos metales. [61] Dichos materiales que son negros visibles pero blancos IR son muy deseados en muchas áreas, como el camuflaje, la gestión térmica y el cifrado de información.

Resistencia a la corrosión

Cada vez hay más literatura que reconoce a los MXenos como inhibidores de corrosión de alto rendimiento. La resistencia a la corrosión del Ti3C2TxMXeno se puede atribuir a la sinergia de una buena dispersabilidad, efecto barrera y liberación de inhibidores de corrosión. [ 62 ]

Propiedades biológicas

En comparación con el óxido de grafeno , que se ha informado ampliamente como un agente antibacteriano, Ti 2 C MXene muestra una falta de propiedades antibacterianas. [63] Sin embargo, MXene de Ti 3 C 2 MXene muestra una mayor eficiencia antibacteriana hacia E. coli Gram-negativa y B. subtilis Gram-positiva . [64] La unidad formadora de colonias y las curvas de recrecimiento mostraron que más del 98% de ambas células bacterianas perdieron viabilidad a 200 μg/mL de solución coloidal de Ti 3 C 2 dentro de las 4 h de exposición. [64] Se observó daño a la membrana celular, lo que resultó en la liberación de materiales citoplasmáticos de las células bacterianas y la muerte celular. [64] Los principales estudios in vitro de citotoxicidad de láminas 2D de MXenes mostraron promesas para aplicaciones en biociencia y biotecnología. [65] Los estudios presentados sobre la actividad anticancerígena del Ti3C2MXene se determinaron en dos líneas celulares normales (MRC-5 y HaCaT) y dos cancerosas (A549 y A375). Los resultados de citotoxicidad indicaron que los efectos tóxicos observados fueron mayores contra las células cancerosas en comparación con las normales. [ 65] También se dilucidaron los mecanismos de toxicidad potencial. Se demostró que el Ti3C2MXene puede afectar la aparición de estrés oxidativo y, en consecuencia, la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS). [65] Estudios posteriores sobre el Ti3C2MXene revelaron el potencial de los MXenes como un nuevo agente fototérmico cerámico utilizado para la terapia del cáncer. [ 59] En estudios de biocompatibilidad neuronal, las neuronas cultivadas en Ti3C2 son tan viables como las de los cultivos de control, y pueden adherirse, desarrollar procesos axónicos y formar redes funcionales. [66]

Purificación de agua

Recientemente, los MXenos Ti3C2 se han utilizado como electrodos de flujo en una celda de desionización capacitiva de electrodos de flujo para la eliminación de amoníaco de aguas residuales simuladas. La FE-CDI de MXeno demostró una mejora de 100 veces en la capacidad de absorción de iones con una eficiencia energética 10 veces mayor en comparación con los electrodos de flujo de carbón activado. [ 67] Las membranas de MXeno Ti3C2 de un micrón de espesor demostraron un flujo de agua ultrarrápido (aproximadamente 38 L/(Bar·h· m2 )) y un tamizado diferencial de sales dependiendo tanto del radio de hidratación como de la carga de los iones. [ 68] Los cationes más grandes que el espaciado entre capas de MXeno no permean a través de las membranas de Ti3C2 . [ 68] En cuanto a los cationes más pequeños, los que tienen una carga mayor permean un orden de magnitud más lento que los cationes con una sola carga. [68]

Aplicaciones potenciales

Como materiales conductores en capas con terminaciones superficiales ajustables, se ha demostrado que los MXenes son prometedores para aplicaciones de almacenamiento de energía ( baterías de iones de litio , supercondensadores y componentes de almacenamiento de energía), [69] [70] compuestos , fotocatálisis , [71] purificación de agua , [68] sensores de gas , [72] [73] electrodos conductores transparentes, [ 46] electrodos neuronales, [66] como metamaterial , [74] sustrato SERS , [75] diodo fotónico, [76] dispositivo electrocrómico , [47] y nanogenerador triboeléctrico (TENG). [77]

Baterías de iones de litio

Los MXenes se han investigado experimentalmente en baterías de iones de litio (LIB) (por ejemplo, V 2 CT x , [25] Nb 2 CT x , [25] Ti 2 CT x , [78] y Ti 3 C 2 T x [42] ). V 2 CT x ha demostrado la mayor capacidad de almacenamiento de carga reversible entre los MXenes en forma multicapa (280 mAhg −1 a una tasa de 1 C y 125 mAhg −1 a una tasa de 10 C). El Nb 2 CT x multicapa mostró una capacidad estable y reversible de 170 mAhg −1 a una tasa de 1 C y 110 mAhg −1 a una tasa de 10 C. Aunque Ti 3 C 2 T x muestra la capacidad más baja entre los cuatro MXenes en forma multicapa, se puede deslaminar mediante sonicación del polvo multicapa. En virtud de una mayor área superficial electroquímicamente activa y accesible, el papel Ti 3 C 2 T x deslaminado demuestra una capacidad reversible de 410 mAhg −1 a 1 C y 110 mAhg −1 a una tasa de 36 C. Como tendencia general, se puede esperar que los M 2 X MXenes tengan una mayor capacidad que sus contrapartes M 3 X 2 o M 4 X 3 a la misma corriente aplicada, ya que los M 2 X MXenes tienen la menor cantidad de capas atómicas por hoja.

Además de las capacidades de alta potencia, cada MXene tiene una ventana de voltaje activo diferente, lo que podría permitir su uso como cátodos/ánodos de baterías. Además, la capacidad medida experimentalmente para el papel Ti 3 C 2 T x es mayor que la predicha a partir de simulaciones por computadora, lo que indica que se requiere más investigación para determinar el mecanismo de almacenamiento de carga. [79]

Baterías de iones de sodio

Los MXenes exhiben desempeños prometedores para baterías de iones de sodio . Na + debería difundirse rápidamente en las superficies de MXene, lo que es favorable para una carga/descarga rápida. [80] [81] Se pueden intercalar dos capas de Na + entre las capas de MXene. [82] [83] Como ejemplo típico, Ti 2 CT x MXene multicapa como material de electrodo negativo mostró una capacidad de 175 mA hg −1 y una buena capacidad de velocidad. [84] Es posible ajustar los potenciales de inserción de iones de Na de MXenes cambiando el metal de transición y los grupos funcionales de la superficie. [80] [41] V 2 CT x MXene se ha aplicado con éxito como material de cátodo. [85] Se ha informado que los electrodos de papel porosos basados ​​en MXene exhiben altas capacidades volumétricas y un rendimiento de ciclo estable, lo que demuestra ser prometedor para dispositivos donde el tamaño importa. [86]

Supercondensadores

Los MXenes se encuentran en estudio para mejorar la densidad de energía de los supercondensadores . Las mejoras provienen de una mayor densidad de almacenamiento de carga, que se puede aumentar de varias maneras. Aumentar el área de superficie disponible para posibles reacciones redox mediante el aumento del espaciado entre capas puede acomodar más iones, pero reduce la densidad de electrodos. La ruta de síntesis controla la química de la superficie y juega un papel importante en la determinación de la velocidad de reacción de intercalación y la densidad de almacenamiento de carga. Por ejemplo, los MXenes Ti3C2Tx preparados con sal fundida , con grupos superficiales de cloro, muestran una capacidad de 142 mAh g −1 a una velocidad de 13C y 75 mAh g −1 a una velocidad de 128C, impulsada por la desolvatación completa de Li + , lo que permite una mayor densidad de almacenamiento de carga en el electrodo. [87] En comparación, los MXenes Ti3C2Tx preparados mediante grabado HF muestran una capacidad de 107,2 mAh g −1 a una velocidad de 1C. [88]

Se han explorado electrodos compuestos basados ​​en Ti 3 C 2 T x , incluidos Ti 3 C 2 T x /polímero (por ejemplo, PPy , polianilina ), [89] [90] Ti 3 C 2 T x /TiO 2 , [91] y Ti 3 C 2 T x /Fe 2 O 3 . En particular, los electrodos de hidrogel Ti 3 C 2 T x proporcionaron una alta capacitancia volumétrica de hasta 1500 F/cm 3 . [92]

Los electrodos de supercondensadores basados ​​en papel Ti3C2TxMXene en soluciones acuosas demuestran una excelente ciclabilidad y la capacidad de almacenar 300-400 F/cm3 , lo que se traduce en tres veces más energía que los condensadores basados ​​en carbón activado y grafeno . [93] La arcilla Ti3C2MXene mostró una capacitancia volumétrica de 900 F/cm3 , una capacitancia más alta por unidad de volumen que la mayoría de los otros materiales, sin perder nada de su capacitancia a través de más de 10,000 ciclos de carga/descarga. [12]

En los electrodos Ti3C2TxMXene para electrolitos de iones de litio, la elección del disolvente afectó en gran medida el transporte de iones y la cinética de intercalación. En un disolvente de carbonato de propileno (PC) , la desolvatación eficiente de iones de litio durante la intercalación condujo a un mayor almacenamiento de carga volumétrica, con un aumento insignificante en el volumen del electrodo. La cinética mejorada obtenida a través de la elección del disolvente condujo a una densidad de almacenamiento de carga mejorada al comparar el sistema PC con acetonitrilo o dimetilsulfóxido por un factor mayor a 2. [94]

Compuestos

Las nanohojas FL-Ti 3 C 2 (el MXene más estudiado) se pueden mezclar íntimamente con polímeros como el alcohol polivinílico (PVA), formando estructuras en capas alternas de MXene-PVA. Las conductividades eléctricas de los compuestos se pueden controlar de 4×10 −4 a 220 S/cm (contenido de peso de MXene del 40% al 90%). Los compuestos tienen una resistencia a la tracción hasta un 400% más fuerte que las películas de MXene puro y muestran una mejor capacitancia de hasta 500 F/cm 3 . [95] Al utilizar autoensamblaje electrostático, se producen electrodos supercondensadores de MXene/ grafeno flexibles y conductores . El electrodo MXene/grafeno independiente muestra una capacitancia volumétrica de 1040 F/cm 3 , una capacidad de velocidad impresionante con una retención de capacitancia del 61% y una vida útil de ciclo larga. [96] También se idea un método de filtración alternativa para formar películas compuestas de nanomateriales de carbono-MXene. Estos compuestos muestran un mejor rendimiento de velocidad a altas velocidades de barrido en supercondensadores. [97] La ​​inserción de polímeros o nanomateriales de carbono entre las capas de MXene permite que los iones de electrolito se difundan más fácilmente a través de los MXenes, lo que es clave para sus aplicaciones en dispositivos de almacenamiento de energía flexibles. Las propiedades mecánicas de epoxi/MXenes son comparables con el grafeno y los CNT, la resistencia a la tracción y el módulo pueden aumentar hasta un 67% y un 23% respectivamente. [ 98] Se informa que los nanocompuestos MXene/C-dot exhiben propiedades térmicas y de absorción óptica sinérgicas de los nanomateriales MXene y C-dot. [99]

Sensores

Los sensores basados ​​en MXenes se han estudiado para varias aplicaciones, incluyendo detección de gases, [100] y biológica. [101] Uno de los nuevos sensores donde se aplicaron MXenes es un SERS. [ 75 ] [102] Se informó que los sustratos Ti3C2TxMXenes son aplicables en la detección de ácido salicílico, [102] un metabolito del ácido acetilsalicílico ( también conocido como aspirina), moléculas de colorantes orgánicos [75] y biomoléculas. [103]

Otra área prometedora para las aplicaciones de MXenes es la detección de gases. Los sensores de gas basados ​​en MXenes han demostrado una alta sensibilidad y selectividad hacia varios gases, incluidos el amoníaco, los alcoholes, el dióxido de nitrógeno y el dióxido de azufre . [100] Estos sensores se pueden utilizar para la monitorización ambiental, la seguridad industrial y las aplicaciones sanitarias.

Materiales porosos

Se han producido MXenes porosos (Ti 3 C 2 , Nb 2 C y V 2 C) mediante un sencillo método de grabado químico a temperatura ambiente. [104] El Ti 3 C 2 poroso tiene una superficie específica mayor y una estructura más abierta, y se puede filtrar como películas flexibles con o sin la adición de nanotubos de carbono (CNT). [104] Las películas de p-Ti 3 C 2 /CNT fabricadas mostraron capacidades de almacenamiento de iones de litio significativamente mejoradas, con una capacidad de hasta 1250 mA·h·g −1 a 0,1 C, excelente estabilidad de ciclo y buen rendimiento de velocidad. [104]

Antenas

Los científicos de la Universidad Drexel en los EE. UU. han creado antenas en aerosol que funcionan tan bien como las antenas actuales que se encuentran en los teléfonos, enrutadores y otros dispositivos al pintar MXene en objetos cotidianos, ampliando considerablemente el alcance de la Internet de las cosas. [105] [106]

Dispositivos optoelectrónicos

Los sustratos SERS de MXene se han fabricado mediante recubrimiento por pulverización y se han utilizado para detectar varios colorantes comunes, con factores de mejora calculados que alcanzan ~10 6 . El carburo de titanio MXene demuestra el efecto SERS en soluciones coloidales acuosas, lo que sugiere el potencial para aplicaciones biomédicas o ambientales, donde el MXene puede mejorar selectivamente las moléculas con carga positiva. [75] Se han fabricado electrodos conductores transparentes con carburo de titanio MXene que muestran la capacidad de transmitir aproximadamente el 97% de la luz visible por nanómetro de espesor. El rendimiento de los electrodos conductores transparentes MXene depende de la composición del MXene, así como de los parámetros de síntesis y procesamiento. [107]

Superconductividad

Los MXenos Nb 2 C exhiben superconductividad dependiente del grupo superficial. [38]

Referencias

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