Material capaz de almacenar tanta energía como una batería y de recargarse en segundos

Unas láminas ultradelgadas de carburos de titanio con rasgos especiales en su superficie, conocidas como MXenes (o MXenos) se perfilan cada vez más como los protagonistas de una revolución futura en el ámbito energético.

Existen diferentes soluciones para almacenar energía eléctrica: las baterías electroquímicas a base de litio, por ejemplo, almacenan grandes cantidades de energía, pero requieren largos tiempos de recarga. Los supercondensadores, por otro lado, pueden absorber o liberar energía eléctrica extremadamente rápido, pero almacenan mucha menos energía eléctrica.

De entre las opciones alternativas en las que se trabaja, destaca una desde 2011: en aquel año se descubrió en la Universidad Drexel (Estados Unidos) una nueva clase de materiales 2D (a base de láminas con un grosor del orden de una molécula) capaz de almacenar enormes cantidades de carga. Estos materiales son los MXenes (MXenos). Concretamente se trata de las nanoláminas Ti3C2Tx, que forman una red bidimensional, como en la estructura del grafeno (que consiste en una sola capa de átomos de carbono colocados en una retícula hexagonal). Mientras que el titanio (Ti) y el carbono (C) son elementos químicos, Tx describe diferentes grupos químicos que sellan la superficie, por ejemplo, grupos OH. Los MXenes son materiales altamente conductores y pueden formar dispersiones que se asemejan a la tinta negra, compuestas de partículas en capas apiladas en agua.

Los MXenes son materiales 2D que forman partículas de varias capas (izquierda) a partir de las cuales se logra una especie de pseudocondensador. Al proyectar rayos X sobre los MXenes, se logró percibir cambios en el material a raíz de la intercalación de moléculas de urea (derecha), con respecto a los MXenes prístinos (centro). (Imagen: HZB / Martin Künsting)

El MXene Ti3C2Tx es capaz de almacenar tanta energía como las baterías pero puede cargarse o descargarse mucho más rápido que estas, en apenas unas decenas de segundos. Mientras que los supercondensadores igualmente rápidos (o más rápidos) absorben su energía mediante la adsorción electrostática de cargas eléctricas, la energía se almacena en enlaces químicos en la superficie de los MXenes. Por lo tanto, el almacenamiento de energía es mucho más eficiente en estos.

En cooperación con el grupo de Yuri Gogotsi en la Universidad Drexel, Tristan Petit y Ameer Al-Temimy, del Centro Helmholtz de Berlín para Materiales y Energía (Alemania), han utilizado por primera vez la espectroscopia de absorción de rayos X "blandos" (con longitud de onda más larga que la de los rayos X "duros") para investigar muestras de MXene. El ambiente químico de los grupos de superficie del MXene se analizó con laminillas de MXene individuales en vacío pero también directamente en el medio acuático. Los autores del estudio encontraron diferencias notables entre MXenes prístinos y MXenes que llevaban moléculas de urea intercaladas.

La presencia de esas moléculas de urea también cambia significativamente las propiedades electroquímicas de los MXenes. La capacidad aumentó a 1100 milifaradios por centímetro cuadrado, un valor que es un 56 por ciento mayor que el de los electrodos de Ti3C2Tx prístinos que, por lo demás, estaban preparados del mismo modo básico. También se constató que la química de la superficie cambia por la presencia de las moléculas de urea. (Fuente: NCYT Amazings)