Псевдо-конденсаторы для хранения энергии повышают емкость

Максены могут хранить столько же энергии, сколько и аккумуляторные батареи, но при этом заряжаться или разряжаться в течение нескольких десятков секунд

Подобно аккумулятору, максены (MXenes) могут накапливать большое количество электрической энергии посредством электрохимических реакций, но, в отличие от обычных батарей, могут заряжаться и разряжаться за секунды. Команда исследователей продемонстрировала, что интеркаляция молекул мочевины, находящейся между слоями максенов, может увеличить емкость таких «псевдо-конденсаторов» более чем на 50 процентов.

Двумерные карбиды титана, так называемые максены (MXenes), привлекают внимание при создании устройств для быстрого накопления электрической энергии. Сейчас в этой области существуют разные решения: например, литиевые электрохимические батареи хранят большое количество энергии, но требуют длительного времени зарядки. С другой стороны, суперконденсаторы способны поглощать или высвобождать электрическую энергию очень быстро, но накапливают гораздо меньшее ее количество.

Псевдо-конденсаторы максены (MXenes)

В 2011 г. на горизонте появился еще один вариант хранения энергии: был обнаружен новый класс 2D-материалов, которые могут хранить огромное количество заряда. Это были так называемые максены (MXenes), нанопласты Ti₃C₂Tx, которые образуют двумерную сеть, подобную графену.

В этом сочетании титан (Ti) и углерод (C) рассматриваются как конкретные элементы, а Tx описывает различные химические группы, которые уплотняют поверхность пластов, например, ОН-группы. Максены являются высокопроводящими материалами с гидрофильными поверхностями и могут образовывать дисперсии, напоминающие черные чернила, состоящие из сложенных слоистых частиц в воде.

Ti₃C₂Tx может хранить столько же энергии, сколько и аккумуляторные батареи, но при этом заряжаться или разряжаться в течение нескольких десятков секунд. Такие же быстрые (или даже более быстрые) суперконденсаторы поглощают энергию за счет электростатической адсорбции электрических зарядов, однако, на поверхности максенов энергия хранится за счет химических связей и поэтому ее накопление происходит намного эффективнее.

Мочевина увеличивает емкость максенов

Присутствие молекул мочевины существенно меняет электрохимические свойства максенов. Емкость эквивалентной площади нанопласта увеличилась до 1100 мФ/см², что на 56 процентов выше, чем у обычных электродов Ti₃C₂Tx, изготовленных аналогичным образом.

«С помощью мягкой рентгеновской спектроскопии можно было наблюдать за уровнем окисления атомов Ti на поверхностях максена. Степень окисления была выше при наличии мочевины, способствуя накоплению большего количества энергии».

Исследование опубликовано в American Chemical Society.