Los materiales MXeno se perfilan como candidatos prometedores para una nueva tecnología de almacenamiento de energía. Sin embargo, los procesos por los cuales se produce el almacenamiento de carga aún no se comprendían completamente. Un equipo del HZB ha examinado, por primera vez, escamas individuales de MXeno para explorar estos procesos en detalle. Utilizando el microscopio de transmisión de rayos X ‘MYSTIIC’ *in situ* en BESSY II, los científicos mapearon los estados químicos de los átomos de Titanio en las superficies de las escamas de MXeno. Los resultados revelaron dos reacciones redox distintas, dependiendo del electrolito. Esto sienta las bases para comprender los procesos de transferencia de carga a nanoescala y proporciona una base para futuras investigaciones destinadas a optimizar los dispositivos de almacenamiento de energía pseudocapacitivos.
Schematic view: In an acidic electrolyte H2SO4, proton intercalation displaces confined water molecules, protonating the MXene surface, which results in a reduced Titanium oxidation state.
© Energy & Environmental Science / HZB
El almacenamiento de energía es crucial para lograr un suministro de energía eficiente y con neutralidad climática, basado en fuentes de energía renovables. Las tecnologías actuales tienen sus pros y sus contras. Las baterías, por ejemplo, requieren un cierto tiempo para cargarse, pero pueden almacenar enormes cantidades de energía, mientras que los supercondensadores de doble capa eléctrica (EDLC) se cargan rápidamente, pero solo pueden absorber una cantidad limitada de energía. Los llamados pseudocapacitores podrían combinar una alta capacidad de almacenamiento con velocidad, gracias a un proceso de transferencia de carga basado en cambios químicos sin alterar la fase del material. Hasta ahora, esta tecnología no se ha materializado debido a la falta de materiales prometedores.
Los talentos ocultos de los MXenos
Esto podría cambiar con los materiales MXeno. Los MXenos son materiales bidimensionales con una estructura en capas, como el carburo de titanio, que forman un núcleo conductor y una superficie altamente reactiva. La distancia entre capas es del orden de unos pocos nanómetros. A través de electrolitos acuosos, los protones y los iones de Li pueden intercalarse entre las capas de MXeno y actuar como portadores de carga. Estos portadores de carga se unen a las terminaciones superficiales de los átomos de Titanio a través de reacciones redox. Otra ventaja: los electrolitos acuosos son generalmente mucho más respetuosos con el medio ambiente que los electrolitos orgánicos utilizados en las baterías.
Cambios químicos observados
Hasta ahora, el MXeno se ha estudiado principalmente en muestras más grandes que comprenden miles de escamas apiladas. El Dr. Tristan Petit ha aclarado experimentalmente, por primera vez, lo que sucede a nivel de escama individual durante el almacenamiento de iones utilizando microscopía de rayos X blandos, para obtener información sobre los cambios químicos a nivel sub-escama. Utilizando el microscopio de rayos X ‘MYSTIIC’ *in situ* en BESSY II, los científicos lograron visualizar los cambios químicos locales en escamas individuales de Ti₃C₂Tx MXeno durante la intercalación espontánea y electroquímica de diferentes iones.
Depende del electrolito
“Descubrimos diferencias significativas en el comportamiento químico dependiendo de si el electrolito contenía protones o iones de litio”, afirma Namrata Sharma, la primera autora del estudio. Los protones reducen el estado de oxidación de los átomos de titanio, mientras que la intercalación de iones de litio aumenta el estado de oxidación de los átomos de titanio.
“Esto desafía la percepción común de los MXenos como supercondensadores de doble capa eléctrica (EDLC) en electrolitos acuosos neutros. Son más complejos y, por lo tanto, más interesantes, ya que podemos utilizar estos conocimientos para desarrollar MXenos para nuevas aplicaciones de almacenamiento de energía, como los pseudocapacitores”, señala Petit.
Publicación original
Namrata Sharma, Louis Godeffroy, Peer Bärmann, Faidra Amargianou, Andreas Weisser, Zoé Dessoliers, Mailis Lounasvuori, Markus Weigand, Tristan Petit; “Nanoscale chemical imaging of pseudocapacitive charge storage in MXenes”; Energy & Environmental Science, Volume 19, 2026
