La versatilità strutturale e chimica dei compositi a base di MXene-CP si manifesta con straordinaria efficacia nell'ambito delle tecnologie di accumulo elettrochimico, ridefinendo i parametri di performance e affidabilità nei sistemi a stato solido e a stato liquido. L’intercalazione in situ di poliantrachinone solfuro (PAQS) nei fogli Ti₃C₂Tx di MXene ha consentito a Gao e colleghi di ottenere un composito (PAQS@MXene) capace di coniugare trasporto elettronico e ionico. La capacità reversibile raggiunta – 231 mAh/g a 100 mA/g – segnala un'efficienza elettrochimica rara per i catodi di batterie sodio-ione (SIB), confermata anche da prestazioni elevate a tassi di carica superiori: 144,7 mAh/g a 2000 mA/g, con una netta superiorità rispetto al PAQS non composito.

L’ingegnerizzazione tridimensionale operata da Ling et al. sul Ti₃C₂Tx attraverso l’intercalazione con C-PDDA e carbone attivo funzionalizzato ha dato origine a materiali catodici per batterie litio-zolfo (Li–S) con capacità specifica reversibile di 1016,8 mAh/g a 0,2 C e una stabilità ciclica superiore, con degrado contenuto dello 0,075% per ciclo. Questo evidenzia come l’architettura 3D a base di MXene possa operare come host solido per zolfo con proprietà sinergiche, funzionali alla stabilità a lungo termine e alla gestione controllata del litio.

Sul versante dei separatori, la funzionalizzazione delle membrane di polipropilene (PP) con inchiostri MXene ha dimostrato di migliorare la bagnabilità e la stabilità delle celle agli ioni di litio. In particolare, l’introduzione di nanotubi di carbonio (CNT) modificati con DNA nei fogli Ti₃C₂Tx ha portato allo sviluppo di separatori ibridi capaci di sopportare temperature fino a 150 °C e di resistere alla combustione. La coordinazione π e la struttura CNT-DNA-MXene contribuiscono a inibire l'effetto navetta dei polisolfuri, garantendo al tempo stesso una capacità specifica di 592 mAh/g dopo 200 cicli a 1 C, grazie a una maggiore bagnabilità dell'elettrolita e a una gestione più efficiente della mobilità ionica.

Nel campo degli elettroliti a stato solido, l’accoppiamento tra superfici idrofile e MXene favorisce l’interazione con le catene polimeriche, incrementando la conducibilità ionica e inibendo la formazione dendritica. La funzionalizzazione di Ti₃C₂Tx con poli(metilacrilato) (PMA) e poli(vinilidene fluoruro-co-esafluoropropilene) (PVHF) ha permesso la creazione di un elettrolita per batterie zinco-ione (ZIB) con conducibilità ionica di 2,69 × 10⁻⁴ S/cm e numero di trasporto favorevole per Zn²⁺ a temperatura ambiente. La plasticizzazione omogenea della matrice MXene dovuta ai legami F–H ha avuto un ruolo cruciale in questo risultato.

Analogamente, in ambito LIB, la miscelazione meccanica di Ti₃C₂Tx con LiTFSI e PEO ha generato un elettrolita polimerico composito con conduttività pari a 2,2 × 10⁻⁵ S/m, un numero di trasporto di 0,18 per Li⁺ e una stabilità in tensione fino a 4,7 V. La batteria LiFePO₄/Li costruita con questo composito ha mantenuto 140 mAh/g dopo oltre 50 cicli a 60 °C. Ulteriori ottimizzazioni come la laminazione mediante atomizzazione elettrostatica doppia ago hanno consentito a Kou et al. di ottenere strati MXene-PEO con distribuzione unifo

Quali sono i processi e le tecniche di fabbricazione più promettenti per i materiali compositi MXene e le loro applicazioni?

La continua ricerca sui materiali MXene ha aperto nuove prospettive nel campo delle membrane composito, come quelle MXene/COF, frequentemente utilizzate per soluzioni acquose di coloranti. La stabilità dei fogli di MXene rappresenta una delle principali sfide per le applicazioni in tempo reale. La necessità di sviluppare compositi MXene stabili e funzionali ha accelerato l'evoluzione dei processi di sintesi e fabbricazione. Ad esempio, alcuni dei processi di fabbricazione più avanzati per i nanocompositi MXene vengono descritti attraverso vari schemi che illustrano le tecniche di produzione e i passaggi cruciali. Nella figura 4, per esempio, vengono presentate diverse metodologie per la creazione di compositi MXene, ognuna con un proprio set di proprietà e applicazioni.

Un esempio interessante di questa evoluzione è rappresentato dalla sintesi di un composito MXene/cellulosa, un'area promettente per applicazioni future nei supercondensatori. Questa combinazione di materiali non solo migliora la stabilità meccanica e la capacità di stoccaggio energetico, ma apre anche la strada alla realizzazione di dispositivi più efficienti e durevoli. Altre combinazioni, come quella tra Ti3C2Tx e Fe3O4, sono state esplorate per ottenere migliori proprietà di resistenza e una risposta in banda larga, rendendo il composito più versatile per diverse applicazioni.

Una fase cruciale in questi processi di fabbricazione è la preparazione di miscele omogenee di MXene e altri materiali. Ad esempio, per ottenere un composito Ti3C2Tx/Fe3O4, viene preparata una soluzione contenente acetato di sodio, glicole etilenico e dietilenglicole, a cui vengono aggiunti i particolari MXene, seguiti da un trattamento solvotermico. Al termine, il prodotto finale presenta proprietà migliorate grazie alla formazione di una miscela omogenea.

La produzione di nanocompositi più complessi, come quello basato su MnO2/MXenes, richiede un approccio simile, con l'impiego di soluzioni di MnSO4 e KMnO4 in un processo di sonificazione e riscaldamento. Questa tecnica consente di ottenere un prodotto con un rapporto ben definito di MXene a MnO2, fondamentale per garantire la stabilità e l'efficienza del materiale nel lungo termine. Un altro esempio di applicazione interessante riguarda la combinazione di MXene con nanoparticelle di argento (Ag NPs), che, grazie alla loro elevata superficie reattiva, offrono promettenti applicazioni nella produzione di film ibridi con proprietà avanzate.

Accanto alla fabbricazione dei compositi, è essenziale un'attenta caratterizzazione dei materiali. Le tecniche più utilizzate includono la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), la spettroscopia di dispersione di energia a raggi X (EDX), e la spettroscopia di assorbimento a raggi X (XAS), tra le altre. Questi metodi consentono di analizzare la struttura terminale della superficie di MXene, fondamentale per comprendere le interazioni chimiche che determinano le proprietà fisiche e chimiche dei materiali. Un altro strumento fondamentale in questo contesto è la diffrazione a raggi X (XRD), che fornisce informazioni sulla struttura cristallina dei materiali MXene, rivelando anche l'influenza delle terminazioni superficiali sulla struttura interna.

Oltre alla sintesi e alla caratterizzazione, l'analisi delle proprietà ottiche e di conduzione dei materiali MXene è altrettanto importante. La spettroscopia ellissometrica, ad esempio, consente di determinare il comportamento ottico di MXene, che si comporta come materiale metallico, rivelando proprietà di conducibilità elettrica in linea con i risultati ottenuti tramite misurazioni elettriche. L'interazione tra i terminali di ossigeno (O), idrossido (OH) e fluoro (F) gioca un ruolo cruciale nella determinazione delle proprietà di conduzione dei materiali MXene.

La ricerca sui MXene, quindi, è in continua evoluzione, con applicazioni che spaziano dalla produzione di supercondensatori a dispositivi optoelettronici e sensori. La capacità di manipolare e caratterizzare con precisione le superfici dei MXene è fondamentale per ottenere materiali con prestazioni ottimali per applicazioni avanzate.

Quello che è fondamentale per il lettore è comprendere che, oltre alla sintesi e alla caratterizzazione dei MXene, l'ottimizzazione delle loro proprietà per applicazioni specifiche è il vero obiettivo della ricerca. I progressi nelle tecniche di fabbricazione e nei metodi di caratterizzazione sono essenziali per migliorare la performance dei compositi MXene, ma è altrettanto importante tenere conto dell'interazione tra il materiale e le condizioni ambientali. Infatti, la stabilità a lungo termine dei materiali, così come le loro proprietà durante l'uso in applicazioni reali, rimane una delle sfide principali. Inoltre, la progettazione di MXene con superfici funzionalizzate in modo preciso per specifiche applicazioni potrebbe aprire nuovi orizzonti in una varietà di settori tecnologici.

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