Come la sinergia tra MXene e polimeri conduttori migliora le prestazioni delle batterie ricaricabili

I processi di calcinazione sono stati utilizzati per creare compositi (C@SnO2/Ti3C2) utilizzando SnO2 rivestito da carbonio con struttura a nucleo, accoppiato con Ti3C2-MXene a strati 2D. I nanocompositi C@SnO2/Ti3C2 sintetizzati hanno mostrato una maggiore stabilità ciclica e un coefficiente di diffusione significativamente più elevato per Li+, con una resistenza al trasferimento di carica inferiore rispetto ai compositi SnO2/Ti3C2 e Ti3C2-MXene. In particolare, al valore di densità di corrente di 100 mA/g, il composito C@SnO2/Ti3C2 ha mostrato una capacità iniziale straordinaria di 1531,5 mA h/g. Un altro esempio di applicazione dei MXene è stato lo sviluppo di un ibrido a molla 3D (C–Fe3O4/Ti3C2) da parte di Li et al., dove Fe3O4 rivestito da carbonio è stato avvolto da strati di Ti3C2-MXene per superare le limitazioni intrinseche del Fe3O4, migliorando così la stabilità e la capacità di ciclo. Questo composito ha mostrato un'alta attività elettrochimica, con una capacità reversibile di 997 mA h/g a 1 A/g.

Un altro progresso significativo è rappresentato dai condensatori a ioni di sodio estensibili, progettati da Zhang et al., con elettrodi AC/MXene e MoSe2/MXene elastomerici. Questi elettrodi hanno mostrato prestazioni straordinarie in termini di estensibilità, stabilità (95% dopo 1000 cicli) e immagazzinamento di ioni sodio (420 mA h/g a 5 A/g).

Un esempio di applicazione interessante è stato il lavoro di Lui et al., che hanno creato un catodo per batterie a ioni di zinco (ZIB) combinando Ti3C2Tx MXene con polianilina (PANI). Durante il processo di sintesi, il MXene è stato rivestito con gruppi sulfonici (-SO3H) per aumentarne la compatibilità con PANI e ridurre il rigonfiamento durante i cicli consecutivi. Il catodo basato su MXene-CP ha mantenuto una capacità elevata di 262 mA h/g, con un'efficienza columbica del 100% e una capacità specifica di 103 mA h/g anche dopo 5000 cicli. Altre ricerche, come quelle di Zhang et al., hanno mostrato l'utilizzo del MXene-PPy su un anodo per le batterie a ioni di litio (LIB), dove l'architettura a riccio 3D ha agito come un ospite per gli ioni Li+, migliorando ulteriormente le prestazioni del sistema.

Un altro esempio notevole è il lavoro di Ding et al., che hanno creato un composito P-SnO2/Ti3C2 per l'anodo delle batterie a ioni di sodio (SIB). I cristalli nanometrici di SnO2 sono stati fissati uniformemente sulla superficie del MXene, grazie ai legami Sn-O-Ti, e sono stati posizionati tra il polipirrolo (PPy) e i fogli di Ti3C2Tx, migliorando la capacità di stoccaggio di Na+ e impedendo la sovrapposizione dei fogli di Ti3C2Tx. Questo approccio ha portato a una capacità di 325,6 mA h/g a 100 mA/g dopo 200 cicli e una retention della capacità del 57% a 2 A/g, dimostrando un'eccellente stabilità ciclica e capacità di alta velocità.

Infine, Cheng et al. hanno combinato il MXene V4C3Tx con polianilina per creare un elettrodo per LIB che ha mostrato un'incredibile stabilità ciclica (1000 cicli) e prestazioni di carica e scarica a 10 A/g, con una capacità di 561,2 mA h/g a 0,1 A/g. Questi studi confermano che la sinergia tra MXene e polimeri conduttori ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia delle batterie, migliorando non solo la capacità, ma anche la durata e la stabilità degli elettrodi.

I lettori dovrebbero comprendere che l'interazione tra MXene e polimeri conduttori non solo migliora le proprietà elettrochimiche, ma offre anche soluzioni per superare le limitazioni dei materiali tradizionali. La combinazione di questi materiali consente di ottenere una maggiore capacità, una migliore stabilità ciclica e una maggiore efficienza di diffusione degli ioni, caratteristiche cruciali per le applicazioni future nelle batterie ricaricabili.

Come i Compositi MXene/GO e MXene/Sulfuri Possono Rivoluzionare le Applicazioni Biomediche

I compositi a base di MXene e ossido di grafene (GO) sono diventati una delle frontiere più promettenti nella ricerca di materiali avanzati per applicazioni biomediche. La loro struttura a strati, unita alla presenza di gruppi funzionali, conferisce loro proprietà che li rendono ideali per una vasta gamma di applicazioni, tra cui stoccaggio di energia, rilevamento e sensori, e trattamento delle acque. La combinazione di MXene con GO, noto per la sua alta superficie specifica e per le sue proprietà di conduzione, crea materiali con eccellenti capacità di adsorbimento, sensoriali e di rilevamento, cruciali nel contesto biomedico.

I compositi MXene/GO, grazie alla loro elevata cristallinità e alla distribuzione uniforme dei metalli, possiedono uno spazio interno tra i strati che favorisce l'interazione tra le particelle, creando una struttura di rete interconnessa. Queste caratteristiche fanno di tale materiale una soluzione eccellente per migliorare l’efficacia dei dispositivi biomedicali. A seconda del materiale di partenza, è possibile conferire ai compositi MXene/GO diverse proprietà elettroniche, elettriche, magnetiche e meccaniche, adattandoli a specifici scenari di utilizzo [13].

Metodi come l'elettroforesi, la deposizione elettrochimica e il trattamento sol-gel sono utilizzati per ottenere questi compositi. L'elettroforesi, in particolare, si è rivelata vantaggiosa per la sua alta velocità di deposizione e la capacità di ottenere film uniformi con una bassa complessità strumentale. Tuttavia, la produzione su larga scala di questi materiali per applicazioni commerciali rimane una sfida, a causa dei costi elevati e dei rendimenti relativamente bassi dei metodi utilizzati.

Un altro interessante sviluppo riguarda i compositi MXene con nanotubi di carbonio (CNT). I nanotubi di carbonio, che possono essere a parete singola (SWCNT) o a parete multipla (MWCNT), sono noti per la loro resistenza meccanica e per la loro eccellente conduzione elettrica. Quando combinati con MXene, i CNT migliorano notevolmente la diffusione degli ioni, il trasporto elettronico e le prestazioni elettrochimiche del materiale composito. I CNT agiscono come ponti tra i fogli di MXene, migliorando la loro stabilità e le prestazioni in una varietà di applicazioni, tra cui i sensori, la catalisi elettrochimica e la schermatura dalle interferenze elettromagnetiche.

Per esempio, un’applicazione interessante di MXene/CNT è quella sviluppata da He et al., che hanno creato un sensore indossabile per il rilevamento di movimenti umani. Questo sensore, realizzato con un film di nanotubi di carbonio/MXene, è in grado di rilevare una vasta gamma di deformazioni, dalle più piccole alle più grandi, mostrando anche proprietà antimicrobiche che sono essenziali per il contatto con il corpo umano. La ricerca sui compositi MXene/CNT, pur essendo ancora in fase iniziale, ha già dimostrato un ampio potenziale, con applicazioni previste anche in medicina, stoccaggio di energia e trattamento ambientale.

I compositi MXene/CNT offrono vantaggi notevoli rispetto ai MXene puri, grazie alla loro maggiore conduttività elettrica, migliorando le prestazioni dei dispositivi sensoriali e della batteria, oltre a garantire una maggiore durabilità e sensibilità nei sensori. Tuttavia, come nel caso degli altri compositi, la produzione su scala industriale e la stabilità a lungo termine dei materiali devono essere migliorate prima di una loro adozione diffusa.

Qual è lo stato attuale della ricerca sui MXene e le loro applicazioni?

I MXene, una famiglia di materiali bidimensionali scoperti recentemente, hanno attirato un crescente interesse nel campo dei materiali avanzati, grazie alle loro straordinarie proprietà elettriche, termiche e meccaniche, nonché alla loro versatilità nelle applicazioni tecnologiche. Questi materiali sono ottenuti per esfoliazione di composti MAX, dove "M" rappresenta un metallo di transizione, "A" un elemento di gruppo A, e "X" può essere carbonio o azoto. La loro struttura cristallina a strati conferisce loro caratteristiche uniche, come una conducibilità elettrica eccezionale e una notevole resistenza meccanica, che li rendono candidati ideali per numerose applicazioni in vari settori, tra cui l'elettronica, l'energia e l'ambiente.

Un'altra area di ricerca promettente riguarda l'integrazione dei MXene in compositi con polimeri, per migliorarne le proprietà meccaniche e aumentare la loro flessibilità. L'uso di MXene in supercondensatori è uno degli esempi più discussi. Questi dispositivi, utilizzati per immagazzinare e rilasciare energia rapidamente, beneficiano della combinazione della capacità di accumulo dei MXene con la loro conduttività. Le applicazioni più recenti includono l'utilizzo di MXene in dispositivi elettronici flessibili, sensori ambientali, e memorie ad alta velocità.

Per quanto riguarda il futuro dei MXene, è chiaro che la loro versatilità li renderà protagonisti in molteplici settori. Ad esempio, la possibilità di usarli come substrati per il rilevamento Raman a superficie migliorata (SERS) o come agenti fototermici nella lotta contro il cancro è un'area di ricerca in rapido sviluppo. Inoltre, la loro applicazione in membrane per la filtrazione e la separazione di coloranti e altre sostanze chimiche sta mostrando risultati promettenti, grazie alla loro capacità di combinare alta porosità e resistenza chimica.

Tuttavia, nonostante le loro potenzialità, ci sono ancora sfide significative da superare. La stabilità a lungo termine dei MXene, soprattutto in ambienti umidi o in presenza di ossigeno, rimane una preoccupazione. Inoltre, la sintesi su larga scala e la capacità di mantenere la qualità dei materiali sono altre barriere che devono essere affrontate per consentire una produzione commerciale diffusa di dispositivi MXene. La ricerca continua a concentrarsi sull'ottimizzazione delle tecniche di sintesi per ottenere MXene con caratteristiche ben definite e sulla ricerca di nuovi metodi per migliorarne la resistenza e la durata.

In aggiunta, l'espansione delle applicazioni dei MXene verso la nanoelettronica e la fotonica, sfruttando la loro struttura bidimensionale, sembra essere un passo successivo interessante. La capacità di modificare le loro proprietà attraverso trattamenti superficiali, come la funzionalizzazione con molecole specifiche, potrebbe aprire nuove vie per l'uso dei MXene in dispositivi ottici avanzati, sensori e comunicazioni ad alta velocità.