Superstore MXene : Nouvelle structure d'hydratation des protons déterminée
Les MXènes sont capables de stocker de grandes quantités d'énergie électrique comme les batteries et de se charger et de se décharger assez rapidement comme un supercondensateur. Ils combinent ces deux talents et constituent donc une classe de matériaux très intéressante pour le stockage de l'énergie. Le matériau est structuré comme une sorte de pâte feuilletée, les couches de MXene étant séparées par de fines pellicules d'eau. Une équipe du HZB a étudié comment les protons migrent dans les films d'eau confinés entre les couches du matériau et permettent le transport des charges. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications et pourraient accélérer l'optimisation de ce type de matériaux de stockage d'énergie.
L'expérience : La lumière infrarouge excite les protons dans le film d'eau, qui se déplacent entre les couches de Ti3C2-MXène. Leurs oscillations montrent qu'ils se comportent différemment que dans un film d'eau plus épais.
M. Künsting / HZB
Le stockage de l'énergie électrique est l'un des plus grands défis à relever pour assurer un approvisionnement énergétique sans impact sur le climat. Les batteries conventionnelles peuvent contenir de grandes quantités d'énergie, mais les processus de charge et de décharge prennent du temps. Les supercondensateurs, quant à eux, se chargent très rapidement, mais la quantité d'énergie stockée est limitée. Ce n'est que depuis quelques années que l'on parle d'une nouvelle classe de matériaux qui combine les avantages des batteries et ceux des supercondensateurs, les pseudocondensateurs.
Des matériaux prometteurs : Les pseudocondensateurs
Parmi les matériaux pseudocapacitifs, les "MXènes", constitués d'une grande famille de carbures et de nitrures de métaux de transition en 2D, semblent particulièrement prometteurs. Leur structure ressemble à une pâte feuilletée, les différentes couches étant séparées par une fine pellicule d'eau qui permet le transport des charges. Les MXènes de carbure de titane, en particulier, sont conducteurs et leur structure en couches combinée à des surfaces hydrophiles fortement chargées négativement offre un matériau unique dans lequel les ions chargés positivement, tels que les protons, peuvent se diffuser très efficacement. Les MXènes utilisés dans cette étude ont été synthétisés dans le groupe du professeur Yury Gogotsi à l'université de Drexel, aux États-Unis.
Examen du transport de charges
Au cours des dernières années, cette propriété a été utilisée pour stocker et libérer l'énergie des protons à des taux sans précédent dans un environnement acide. On ne sait toujours pas si les charges sont principalement stockées par l'adsorption de protons à la surface du MXène ou par la désolvatation de protons dans la couche intermédiaire du MXène.
Effet de confinement attendu
En raison de sa géométrie bidimensionnelle, le film d'eau de 2 à 3 couches d'épaisseur piégé entre les couches de MXène devrait solvater les protons différemment de l'eau en vrac que nous connaissons classiquement. Bien que cet effet de confinement soit censé jouer un rôle dans la diffusion rapide des protons à l'intérieur des matériaux en MXène, il a été impossible jusqu'à présent de caractériser les protons à l'intérieur d'une électrode en MXène pendant la charge et la décharge.
Analyse des modes vibrationnels
L'équipe dirigée par le Dr Tristan Petit au HZB y est parvenue pour la première fois en analysant les modes vibrationnels des protons excités par la lumière infrarouge. Mailis Lounasvuori, chercheuse postdoctorale, a mis au point une cellule électrochimique operando qu'elle a utilisée pour analyser les protons et l'eau à l'intérieur des MXènes en carbure de titane à BESSY II pendant les processus de charge et de décharge. Au cours de ce processus, elle a également réussi à distiller la signature particulière des protons dans l'eau confinée entre les couches de MXène.
"Ces modèles vibrationnels sont très différents de ceux que nous observerions pour les protons dans un environnement d'eau tridimensionnel", explique Mailis Lounasvuori.
"Le fait que les molécules d'eau absorbent très fortement le rayonnement infrarouge alors que le MXène n'émet qu'une très faible quantité de lumière dans cette gamme d'énergie a rendu la spectroscopie IR parfaitement adaptée à notre question", explique M. Petit.
La diffusion rapide expliquée
Cette structure d'hydratation inhabituelle, qui montre que les protons sont solvatés par moins de molécules d'eau sous confinement que dans l'eau en vrac, suggère que la désolvatation des protons lors de l'intercalation entre les couches de MXène peut contribuer au stockage d'énergie pseudocapacitif en milieu acide. Cela pourrait également expliquer pourquoi les protons se diffusent particulièrement vite dans les matériaux MXene, ce qui est lié à leur temps de décharge rapide. Au-delà des applications de stockage d'énergie, ces travaux montrent que les MXènes constituent une plateforme idéale pour étudier les propriétés fondamentales des espèces chimiques confinées, qui ont certainement d'autres propriétés chimiques nouvelles qui restent à découvrir.
Cette technique sera appliquée à d'autres types de cations que les protons (tels que l'ion Li+ ) diffusant à l'intérieur des matériaux MXène afin de découvrir de nouveaux mécanismes de stockage d'énergie pseudocapacitif dans le cadre d'une subvention de démarrage ERC attribuée en 2020.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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