Une nouvelle méthode de synthèse de MXenes pour des matériaux plus performants pour le stockage de l’énergie
Les carbures métalliques 2D, aussi appelés MXenes, sont devenus des matériaux d’électrode de choix pour la communauté des chercheurs dans le domaine des supercondensateurs. En effet, la structure en deux dimensions (2D) de ces matériaux les rend particulièrement intéressants pour le stockage capacitif puisqu’ils offrent une surface accessible élevée aux ions de l’électrolyte.
Bien que prometteurs, les MXenes présentaient encore un problème : Ils étaient synthétisés en faisant réagir un précurseur dit MAX avec une solution aqueuse contenant des ions fluorure, comme HF par exemple. Or, HF est une solution particulièrement dangereuse à manipuler, ce qui rend leur synthèse périlleuse. En plus, ce choix limitait les précurseurs MAX utilisables pour des questions de réactivité. Il était aussi, et surtout, difficile de contrôler les fonctions de surfaces - et donc leur réactivité - des matériaux ainsi préparés qui contenaient des teneurs élevées en -F et –OH.
Une équipe internationale comprenant des membres du RS2E des laboratoires CIRIMAT (Université de Toulouse) et du CEMHTI (Université d’Orléans) a développé une nouvelle méthode de synthèse qui permet de se passer des solutions aqueuses contenant les ions fluorure et d’élargir la gamme de précurseurs MAX utilisables. Leur travail détaillé a été publié dans la revue Nature Materials. Vous pourrez également en apprendre plus sur les MXenes en général en vous référant à cette article.
De meilleures performances dans un électrolyte non-aqueux
Les chercheurs ont approfondi les recherches existantes sur une nouvelle voie de synthèse qui remplace l’utilisation des solutions aqueuses par des sels fondus de type acides de Lewis.
[Ndlr : Autrement dit, ces sels sont des entités chimiques dont un des atomes les constituant possède une lacune électronique qui les rend susceptible d'accepter un doublet d'électrons, et donc de créer une liaison covalente avec une autre entité chimique appelée base de Lewis]
Plusieurs conséquences découlent de cette nouvelle réactivité. Comme mentionné précédemment, les MXenes vont pouvoir être synthétisés à partir d’une plus large gamme de précurseurs de type MAX. En fonction du choix du couple précurseur/acide de Lewis, il devient possible pour les expérimentateurs d’obtenir différentes chimies de surface et de donc de mieux contrôler et prévoir les performances de l’électrode formée.
A titre d’exemple, les auteurs de l’article ont produit via la méthode étudiée une électrode négative MXene de formule Ti3C2 offrant des capacités de 200 mAh.g-1 dans un électrolyte commercial de batterie Li-ion (LP30). De plus, la réponse électrochimique unique de ces matériaux permet d’atteindre des vitesses de charge/décharge extrêmement élevées pendant l’intercalation des ions Li+.
Ces caractéristiques de capacité et de puissance font de ces matériaux préparés en sels fondus des électrodes intéressantes pour divers systèmes de stockage de l’énergie comme les batteries à haute puissance ou les condensateurs hybrides Li-ion.
Références :
A general Lewis acidic etching route for preparing MXenes with enhanced electrochemical performance in non-aqueous electrolyte
Youbing Li et al.
Nature Materials, 13/04/20, DOI : 10.1038/s41563-020-0657-0
Contact : Patrice Simon, simon@chimie.ups-tlse.fr