I ricercatori dell’Università di Manchester nel Regno Unito hanno dimostrato per la prima volta la possibilità di stampare in 3D oggetti autoportanti con materiale 2D MXene. Come primo studio sulla stampabilità 3D di MXene, il team ha sviluppato un inchiostro acquoso per l’estrusione del materiale. Gli elettrodi MXene stampati in 3D sono mostrati da esperimenti per avere alta capacità e densità di energia. Gli elettrodi possono essere utilizzati in dispositivi di accumulo di energia come i supercondensatori.
I materiali 2D sono anche noti come materiali a strato singolo. Quando i cristalli vengono diluiti a un solo atomo, emergono proprietà fisiche e chimiche uniche. Il primo materiale 2D al mondo è il grafene, scoperto all’Università di Manchester. Mentre flessibile, trasparente e milioni di volte più sottile di un capello umano, il grafene è anche più conduttivo del rame e molto più forte dell’acciaio.
Da quando è stato isolato nel 2004, il grafene ha aperto le porte all’esplorazione di altri materiali 2D. Nel 2011 vengono sviluppati per la prima volta MXenes, una classe di materiali 2D “simili all’argilla” composti da metalli di transizione precoce (come il titanio) e atomo di carbonio. Rispetto al grafene, i MXenes hanno un’eccellente conduttività elettrica, idrofilia e alta densità.
Per utilizzare tali proprietà desiderabili, gli scienziati devono integrare in modo efficiente materiali 2D in strutture e dispositivi 3D. Le complesse architetture 3D richieste, tuttavia, sono difficili da ottenere utilizzando tecniche convenzionali.
La stampa 3D risolve questo problema fornendo al contempo un elevato livello di controllo architettonico, scalabilità ed economicità. I tentativi di stampa 3D di grafene sono stati sviluppati e applicati allo sviluppo di supercondensatori e batterie ricaricabili . Seguendo un percorso simile, la sfida rimanente per il team è quella di realizzare inchiostri con MXene da uno a pochi strati con le proprietà reologiche richieste per la stampa 3D.
Nella ricerca dell’Università di Manchester, grandi scaglie di MXene di alcuni atomi di spessore (8 µm di dimensione laterale media e 1 – 3 nm di spessore) vengono sciolte in acqua per formulare l’inchiostro da stampa 3D. L’essere idrofilo fa sì che i MXen si disperdano facilmente in sospensioni acquose, ideali per formare inchiostri acquosi. Adottando la stampa 3D basata sull’estrusione, i ricercatori hanno scelto il materiale MXene più studiato, Ti3C2Tx 2D per le sue proprietà viscoelastiche ideali.
“Gli inchiostri che abbiamo sviluppato forniscono una buona traduzione delle proprietà dal materiale 2D in 3D, risultando in architetture con una superficie specifica notevolmente migliorata rispetto ad altri approcci”, ha affermato la dott.ssa Suelen Barg, docente di materiali strutturali presso l’Università di Manchester .
Dopo la stampa 3D con ugelli di dimensioni micrometriche, le strutture 3D bagnate vengono liofilizzate. La liofilizzazione protegge l’integrità interna e la forma esterna delle strutture con un basso restringimento. Questa tecnica è in grado di fabbricare architetture MXene autoportanti di oltre 20 strati di altezza con forme ben definite e un’elevata superficie specifica. Senza additivi o ulteriori trattamenti termici o chimici, i microlattici e i prismi rettangolari vuoti sono stampati direttamente in 3D nell’esperimento.
Architetture multiscala stampate in 3D dopo liofilizzazione. a, b) SEM e fotografie ottiche (inserto) del microlattice Ti3C2Tx indipendente (a) e del prisma rettangolare cavo (b) stampati rispettivamente attraverso ugelli da 330 e 250 µm. Immagine tramite l’Università di Manchester.
Grazie all’eccellente conduttività elettrica di MXene, il suo potenziale di produzione di dispositivi di accumulo di energia come i supercondensatori è di particolare interesse per la ricerca. I supercondensatori possono produrre enormi quantità di energia mentre consumano molta meno energia rispetto ai dispositivi convenzionali. Nell’esperimento, un supercapacitore simmetrico interdigitato con un elettrolita solido è stato stampato in 3D con MXene. Sia l’elettrodo che il collettore di corrente sono stampati in 3D, eliminando così la necessità di impiegare metalli nobili da utilizzare come collettori di corrente nei progetti di elettrodi.
“Questi risultati sono tra i più alti della letteratura e confermano che il nostro percorso di sintesi e elaborazione consente un’eccellente traduzione delle proprietà dal materiale 2D al dispositivo 3D assemblato”, ha sottolineato Wenji Yang, il primo autore del documento.
I potenziali usi di questi dispositivi MXene sono per l’industria automobilistica, come nelle auto elettriche, nonché per telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici. In particolare, le architetture MXene stampate in 3D sono particolarmente interessanti per applicazioni di accumulo di energia come batterie ricaricabili agli ioni di litio e sodio, batterie al litio-zolfo e supercondensatori. Potrebbero anche essere utilizzati in altre applicazioni come la conversione di energia, la produzione di combustibile fotocatalitico o la schermatura elettromagnetica.
“Le proprietà reologiche uniche combinate con la sostenibilità dell’approccio offrono molte opportunità di esplorazione”, ha affermato la dott.ssa Suelen Barg, supervisore del gruppo di ricerca. L’attuale direzione di ricerca del gruppo sta ottimizzando le loro formulazioni di inchiostro MXene e il protocollo di produzione additiva per fabbricare dispositivi di accumulo di energia su misura in configurazioni asimmetriche. Con l’obiettivo di superare i limiti della finestra di tensione e migliorare ulteriormente la densità di energia, il team sta anche lavorando per incorporare la stampa di più materiali e elettroliti alternativi.
La stampa 3D di architetture MXene autoportanti per supercondensatori attuali ‐ collezionisti- discussi in questo articolo è pubblicata online in Materiali avanzati. È co-autore di Wenji Yang, Jie Yang, Jae Jong Byun, Francis P. Moissinac, Jiaqi Xu, Sarah J. Haigh, Marco Domingos, Mark A. Bissett, Robert AW Dryfe, Suelen Barg.
