从2D到3DMXene革新能源存储等领域的道路

过渡金属碳化物(通常称为MXene)具有一系列令人印象深刻的特性，是能源存储领域正在探索的令人兴奋的纳米材料。MXene是由薄至几纳米的薄片组成的二维材料。

它们出色的机械强度、超高的表面积与体积比和卓越的电化学稳定性使它们成为超级电容器的有希望的候选者——也就是说，只要它们可以排列成3D结构，其中有足够体积的纳米材料并且它们的大表面可用于反应。

在加工过程中，MXene往往会重新堆叠，从而影响可及性并阻碍单个薄片的性能，从而削弱了它们的一些显着优势。为了规避这一障碍，RahulPanat和BurakOzdoganlar以及博士。卡内基梅隆大学机械工程系的候选人MertArslanoglu开发了一种全新的材料系统，可将2DMXene纳米片排列成3D结构。

这是通过将MXene渗透到多孔陶瓷支架或骨架中来实现的。陶瓷骨架采用冷冻铸造技术制造，可产生具有受控孔隙尺寸和孔隙方向性的开孔结构。

该研究发表在《先进材料》杂志上。

“我们能够将分散在溶剂中的MXene薄片渗透到冷冻铸造的多孔陶瓷结构中，”机械工程教授帕纳特解释道。“当系统干燥时，2DMXene薄片会均匀地覆盖陶瓷互连孔隙的内表面，而不会失去任何基本属性。”

正如他们在早期出版物中所描述的，他们的冷冻铸造方法中使用的溶剂是一种称为莰烯的化学物质，它在冷冻时会产生树状树枝状结构。通过使用不同的溶剂也可以获得其他类型的孔分布。

为了测试样品，该团队构建了“三明治型”双电极超级电容器，并将其连接到工作电压为2.5V的LED灯。与之前任何基于MXene的超级电容器相比，超级电容器成功地为灯提供了更高的功率密度和能量密度值。

“我们不仅展示了一种利用MXene的特殊方法，而且还以可重复和可扩展的方式实现这一点，”机械工程学教授Ozdoganlar说。“我们的新材料系统可以按所需尺寸大规模制造，用于商业设备。我们相信这会对储能设备产生巨大影响，从而对电动汽车等应用产生巨大影响。”

该材料系统具有出色的实验结果和可通过控制MXene浓度和主链孔隙率进行微调的电导率，在电池、燃料电池、脱碳系统和催化装置方面具有深远的潜力。有一天，我们甚至可能会看到MXene超级电容器为我们的电动汽车提供动力。

帕纳特说：“我们的方法可以应用于石墨烯等其他纳米级材料，并且主链可以由陶瓷以外的材料制成，包括聚合物和金属。”“这种结构可以实现广泛的新兴技术应用。”