دانشمندان آلمانی برای نخستینبار رفتار شیمیایی یک ورقه منفرد مکسینها را هنگام ذخیره بار بررسی کردند. آنها دریافتند که بسته به نوع الکترولیت، دو واکنش متفاوت در این ماده رخ میدهد. این کشف میتواند راه را برای ساخت ابرخازنهای سریعتر و پرظرفیتتر در آینده هموار کند.
مکسینها (MXenes) فراتر از انتظار؛ کشف سازوکارهای تازه در ذخیرهسازی انرژی
پژوهشگران مرکز هلمهولتس برلین (Helmholtz-Zentrum Berlin – HZB) با بررسی دقیق ورقههای منفرد مکسین برای نخستینبار نشان دادهاند که این مواد دوبعدی در فرآیند ذخیره بار، رفتاری پیچیدهتر از تصورات پیشین دارند. کشف دو واکنش اکسایش–کاهش متفاوت بسته به نوع الکترولیت، افقهای تازهای برای توسعه شبهخازنهای پرظرفیت و سریعشارژ گشوده است.
گذار به نظام انرژی پاک و اقلیمخنثی، بدون پیشرفت در فناوریهای ذخیرهسازی انرژی ممکن نخواهد بود. باتریها قادرند مقادیر عظیمی از انرژی را ذخیره کنند، اما زمان شارژ آنها نسبتاً طولانی است. در مقابل، خازنهای دولایه الکتریکی (Electric Double-Layer Capacitors – EDLCs) با سرعتی چشمگیر شارژ میشوند، اما ظرفیت ذخیره انرژی آنها محدود است. در این میان، «شبهخازنها» بهعنوان گزینهای میانجی مطرح شدهاند؛ سامانههایی که میتوانند ظرفیت بالا را با سرعت شارژ زیاد ترکیب کنند، زیرا فرآیند ذخیره بار در آنها بر پایه تغییرات شیمیایی سطحی و بدون تغییر فاز ماده صورت میگیرد.
با این حال، نبود مواد مناسب تاکنون مانع تحقق کامل این فناوری شده بود. اکنون توجهها بار دیگر به سوی مکسینها (MXenes) جلب شده است؛ خانوادهای از مواد دوبعدی با ساختار لایهای که هستهای رسانا ــ برای نمونه کاربید تیتانیوم ــ و سطحی بسیار واکنشپذیر دارند. فاصله میان لایههای این مواد تنها چند نانومتر است و همین ویژگی امکان ورود یونها را به درون ساختار فراهم میکند.
در حضور الکترولیتهای آبی، پروتونها یا یونهای لیتیوم میتوانند میان لایههای مکسین نفوذ کرده و بهعنوان حامل بار عمل کنند. این یونها از طریق واکنشهای اکسایش–کاهش به اتمهای تیتانیوم در سطح متصل میشوند. افزون بر این، استفاده از الکترولیتهای آبی در مقایسه با نمونههای آلیِ رایج در باتریها، سازگاری بیشتری با محیطزیست دارد.
تا پیش از این، بیشتر مطالعات بر نمونههای حجیم شامل هزاران ورقه رویهمانباشته متمرکز بود. اما تیم HZB به سرپرستی دکتر «تریستان پُتی» برای نخستینبار رفتار یک ورقه منفرد مکسین را بهطور مستقیم بررسی کرده است. پژوهشگران با بهرهگیری از میکروسکوپ پرتو ایکس عبوری روبشی درجا موسوم به «میستیک» (MYSTIIC) در تأسیسات BESSY II، توانستند تغییرات شیمیایی موضعی در ورقههای Ti₃C₂Tx را در حین نفوذ خودبهخودی و الکتروشیمیایی یونها تصویربرداری کنند.
نتایج نشان داد که نوع الکترولیت نقشی تعیینکننده در رفتار شیمیایی ماده دارد. به گفته «نامراتا شارما»، نویسنده نخست مقاله، هنگامی که الکترولیت حاوی پروتون باشد ــ مانند محلول اسیدی اسید سولفوریک ــ پروتونها با جابهجا کردن مولکولهای آب محبوسشده میان لایهها، سطح مکسین را پروتوندار کرده و در نتیجه حالت اکسایش اتمهای تیتانیوم کاهش مییابد. در مقابل، در الکترولیت خنثی حاوی یونهای لیتیوم، برهمکنش یونهای لیتیومِ تا حدی بدون پوسته آب با سطح مکسین موجب افزایش حالت اکسایش تیتانیوم میشود.
این تفاوتهای شیمیایی نهتنها بر وضعیت الکترونی اتمهای تیتانیوم اثر میگذارد، بلکه فاصله میان لایههای ورقهها را نیز تغییر میدهد؛ عاملی که مستقیم بر ظرفیت و پایداری ذخیره بار تأثیرگذار است. کشف این دو واکنش متمایز، برداشت رایج از مکسینها بهعنوان صرفاً خازنهای دولایه در الکترولیتهای آبی خنثی را به چالش میکشد.
دکتر پُتی تأکید میکند که مکسینها پیچیدهتر و در عین حال جذابتر از آن هستند که پیشتر تصور میشد. این پیچیدگی، فرصتی علمی برای مهندسی دقیقتر خواص آنها فراهم میآورد. درک سازوکار انتقال بار در مقیاس نانو میتواند مبنایی برای طراحی نسل تازهای از شبهخازنها باشد که هم ظرفیت بالایی دارند و هم با سرعتی بسیار زیاد شارژ میشوند.
انتشار این پژوهش در نشریه «انرژی و علوم محیطزیست» (Energy & Environmental Science) نشاندهنده اهمیت آن در مسیر توسعه سامانههای ذخیره انرژی پایدار است. یافتههای تازه، نهتنها شناخت بنیادی از رفتار مکسینها را تعمیق میکند، بلکه چشماندازی روشن برای بهینهسازی ادوات ذخیرهسازی شبهخازنی ارائه میدهد؛ ادواتی که میتوانند نقشی کلیدی در شبکههای انرژی تجدیدپذیر و فناوریهای پاک آینده ایفا کنند.
