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Struttura atomica del borofene e degli MXeni con applicazioni in batterie

Il grafene ha dominato la ricerca sui materiali bidimensionali per oltre vent'anni. Ma una nuova generazione di nanomateriali sta emergendo: il borofene e gli MXeni promettono proprietà elettriche e meccaniche superiori per batterie, supercondensatori e catalisi. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO



Oltre il grafene: la rivoluzione dei materiali 2D
Dal 2004, quando Andre Geim e Konstantin Novoselov isolarono per la prima volta il grafene, i materiali bidimensionali hanno rappresentato una frontiera della scienza dei materiali. Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale, possiede proprietà straordinarie: è 200 volte più resistente dell'acciaio, conduce elettricità meglio del rame e calore meglio del diamante.

Tuttavia, il grafene presenta anche limiti significativi. Non possiede un bandgap intrinseco, rendendolo inadatto per molte applicazioni elettroniche come transistor e diodi. La sua superficie chimica è relativamente inerte, limitando le applicazioni catalitiche. Inoltre, la produzione di grafene di alta qualità su larga scala rimane costosa e tecnicamente complessa.

Negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno sintetizzato centinaia di nuovi materiali bidimensionali, ciascuno con proprietà uniche. Tra questi, due classi emergono per le loro caratteristiche eccezionali: il borofene, un foglio monoatomico di boro, e gli MXeni, una famiglia di carburi e nitruri di metalli di transizione bidimensionali.

Borofene: proprietà e sintesi
Il borofene fu sintetizzato per la prima volta nel 2015 da ricercatori del Argonne National Laboratory mediante deposizione su substrati di argento in condizioni di ultra-alto vuoto. A differenza del grafene, il borofene può esistere in multiple configurazioni cristalline chiamate "polimorfi", ciascuna con proprietà diverse. Le più studiate sono le fasi alpha, beta e chi.

La struttura del borofene è caratterizzata dalla presenza di "vacanze esagonali" nella reticolo atomico, ossia posizioni dove mancano atomi di boro. La densità e distribuzione di queste vacanze determina le proprietà del materiale. Il borofene possiede anisotropia meccanica ed elettronica pronunciata: le sue proprietà variano significativamente a seconda della direzione cristallografica considerata.

Le caratteristiche più notevoli del borofene includono:

• Conduttività elettrica superiore al grafene in specifiche direzioni cristalline, con densità di corrente che può superare i 10 milioni di ampere per centimetro quadrato
• Flessibilità estrema con modulo elastico variabile da 170 a 398 GPa a seconda della fase cristallina
• Alta capacità teorica di accumulo di litio, superiore a 1860 mAh/g, oltre il doppio del grafite convenzionale usato nelle batterie
• Forte interazione con molecole di idrogeno, rendendolo promettente per l'accumulo di combustibile a idrogeno
• Plasmoni ottici accordabili nell'infrarosso, utili per sensori e fotonica

MXeni: una famiglia versatile di materiali
Gli MXeni furono scoperti nel 2011 da Yury Gogotsi e colleghi alla Drexel University. Il nome deriva dalla formula generale Mn+1XnTx, dove M è un metallo di transizione come titanio, vanadio o molibdeno, X è carbonio o azoto, e Tx rappresenta i gruppi funzionali di superficie come ossigeno, idrossido o fluoro. Il numero n varia tipicamente da 1 a 3.

Gli MXeni vengono sintetizzati mediante attacco chimico selettivo di fasi MAX, che sono carburi o nitruri stratificati dove gli strati Mn+1Xn sono separati da atomi di elementi del gruppo A della tavola periodica, tipicamente alluminio. Trattando le fasi MAX con acido fluoridrico o sali di fluoruro, gli strati di alluminio vengono rimossi, lasciando i fogli bidimensionali di MXene.

La caratteristica distintiva degli MXeni è la presenza di gruppi terminali sulla superficie, che conferiscono proprietà chimiche modificabili. Cambiando i gruppi terminali, è possibile accordare la conducibilità elettrica, l'affinità chimica verso specifiche molecole, e persino il comportamento magnetico del materiale. Questa versatilità chimica è impossibile da ottenere con il grafene.

Applicazioni nelle batterie e supercondensatori
Il borofene e gli MXeni stanno rivoluzionando lo stoccaggio elettrochimico di energia. Nelle batterie agli ioni di litio, il materiale anodico convenzionale è la grafite, con capacità teorica di 372 mAh/g. Il borofene, grazie alla sua struttura corrugata e alle vacanze esagonali, può ospitare ioni di litio con densità molto superiori, raggiungendo capacità teoriche oltre 1860 mAh/g.

Studi computazionali hanno dimostrato che gli ioni di litio possono diffondere rapidamente sulla superficie del borofene, con barriere energetiche di migrazione inferiori a 0.1 eV. Questo si traduce in velocità di carica e scarica eccezionali. Inoltre, il borofene mantiene stabilità strutturale durante i cicli di litiazione e delitiazione, evitando il problema del rigonfiamento che affligge molti materiali anodici ad alta capacità.

Gli MXeni mostrano prestazioni ancora più impressionanti. Il Ti3C2Tx, il MXene più studiato, possiede conducibilità elettrica metallica superiore a 10000 S/cm, eliminando la necessità di additivi conduttivi nelle formulazioni degli elettrodi. La sua superficie idrofila permette un'eccellente dispersione in solventi acquosi, semplificando i processi di produzione degli elettrodi.

Nei supercondensatori, gli MXeni hanno dimostrato capacità volumetriche record di oltre 1500 F/cm³, superiori a quelle di qualsiasi altro materiale bidimensionale. La combinazione di conducibilità elevata, alta densità di siti attivi superficiali e spacing interstrato accordabile permette lo stoccaggio efficiente di carica sia attraverso meccanismi capacitivi che pseudocapacitivi.

Catalisi e conversione energetica
La catalisi è un'altra area dove borofene e MXeni eccellono. Il borofene possiede siti atomici di boro coordinativamente insaturi che possono adsorbire e attivare piccole molecole come ossigeno, azoto e anidride carbonica. Questa proprietà lo rende promettente per la riduzione elettrocatalitica della CO2 a combustibili utilizzabili come metanolo o metano.

Calcoli di teoria del funzionale della densità hanno previsto che specifiche fasi del borofene possano catalizzare la reazione di evoluzione dell'idrogeno con sovrapotenziali inferiori a 50 mV, competitivi con i catalizzatori a base di platino ma a costo drasticamente ridotto. Il borofene mostra anche attività per la reazione di riduzione dell'ossigeno, cruciale nelle celle a combustibile.

Gli MXeni offrono vantaggi catalitici complementari. La presenza di gruppi terminali ossigeno e idrossido fornisce siti attivi per reazioni di trasferimento elettronico. Il Mo2CTx ha dimostrato eccellente attività per la fissazione elettrochimica dell'azoto, convertendo N2 atmosferico in ammoniaca a temperatura e pressione ambiente, un processo che potrebbe rivoluzionare la produzione di fertilizzanti.

Inoltre, gli MXeni fungono da eccellenti supporti per nanoparticelle catalitiche metalliche. La forte interazione metallo-supporto previene l'aggregazione delle nanoparticelle durante il funzionamento, mantenendo l'area superficiale attiva elevata. Catalizzatori ibridi MXene-metallo hanno mostrato stabilità operativa superiore a 1000 ore in celle a combustibile a membrana polimerica.

Elettronica flessibile e dispositivi indossabili
L'elettronica flessibile richiede materiali che combinino elevata conducibilità elettrica con proprietà meccaniche straordinarie. Gli MXeni soddisfano entrambi i requisiti. Film sottili di Ti3C2Tx possono essere piegati, attorcigliati e stirati senza perdita significativa di conducibilità, rendendoli ideali per elettrodi trasparenti flessibili, interconnessioni e antenne.

Gli MXeni sono stati integrati in tessuti e polimeri per creare sensori indossabili capaci di monitorare pressione, deformazione, temperatura e persino biomarcatori nel sudore. La loro biocompatibilità superiore al grafene li rende attraenti per applicazioni biomediche direttamente a contatto con la pelle o tessuti biologici.

Il borofene, sebbene meno studiato per elettronica flessibile a causa delle sfide di sintesi su larga scala, mostra promesse per transistor ad effetto di campo con frequenze di taglio superiori a 1 THz. La sua anisotropia elettrica potrebbe essere sfruttata per creare circuiti con proprietà direzionali programmate, una frontiera completamente nuova nell'ingegneria elettronica.

Sfide e prospettive future
Nonostante il potenziale straordinario, borofene e MXeni affrontano ostacoli significativi prima della commercializzazione su larga scala. La sintesi del borofene richiede ancora condizioni di ultra-alto vuoto e substrati metallici costosi, limitandone la producibilità. I ricercatori stanno esplorando metodi di sintesi in fase liquida e crescita assistita da plasma per superare queste limitazioni.

Gli MXeni soffrono di instabilità ossidativa quando esposti ad aria e umidità. I gruppi terminali ossigeno e idrossido reagiscono gradualmente con ossigeno atmosferico, degradando le proprietà elettriche nel tempo. Strategie di passivazione superficiale mediante rivestimenti polimerici ultrasottili o incapsulamento in atmosfera inerte sono in fase di sviluppo.

La standardizzazione dei processi di sintesi è un'altra sfida. Piccole variazioni nei parametri di sintesi producono materiali con proprietà diverse, complicando la riproducibilità e il controllo qualità. L'industria necessita di protocolli di produzione robusti e scalabili prima di investire massicciamente in queste tecnologie.

Infine, la comprensione fondamentale delle correlazioni struttura-proprietà in questi materiali è ancora incompleta. Modelli computazionali avanzati e tecniche di caratterizzazione in situ stanno contribuendo a colmare queste lacune conoscitive, guidando la progettazione razionale di materiali 2D con proprietà su misura per applicazioni specifiche.

Borofene e MXeni rappresentano la prossima generazione di materiali bidimensionali, con proprietà che in molti casi superano quelle del grafene. La loro versatilità chimica, conducibilità eccezionale e capacità di accumulo energetico promettono di trasformare settori che vanno dall'elettronica alla conversione energetica. Sebbene sfide significative rimangano da superare, il ritmo accelerato della ricerca suggerisce che questi materiali diventeranno protagonisti della tecnologia nei prossimi decenni.

 

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