Alta absorción de electrolitos de los separadores de membrana integrados MXene para Zn

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19915 (2022) Citar este artículo

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El desarrollo reciente de separadores con alta flexibilidad, alta absorción de electrolitos y conductividad iónica para baterías ha ganado una atención considerable. Sin embargo, los estudios sobre separadores compuestos con las propiedades antes mencionadas para electrolitos acuosos en baterías de iones de Zn son limitados. En esta investigación, se fabricó una membrana compuesta de poliacrilonitrilo (PAN)/poliuretano (PU) de base biológica/Ti3C2Tx MXene utilizando una técnica de electrohilado. Ti3C2 MXene se incrustó en fibras y formó una estructura similar a un huso. Con Ti3C2Tx MXene, la absorción de electrolitos y la conductividad iónica alcanzaron valores superiores de 2214% y 3.35 × 10−3 S cm−1, respectivamente. La membrana compuesta presentó una excelente estabilidad de carga-descarga cuando se ensambló en una batería simétrica de Zn//Zn. Además, el separador desarrollado exhibió una gran flexibilidad y no presentó cambios dimensionales ni estructurales después del tratamiento térmico, lo que dio como resultado un separador de alto rendimiento para la batería de iones de Zn. En general, la membrana compuesta PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene se puede usar potencialmente como un separador de alto rendimiento para baterías de iones de Zn.

Los dispositivos electrónicos flexibles han ganado recientemente un amplio interés en los sectores académico e industrial. Sin embargo, se requieren baterías flexibles para alimentar dichos dispositivos. Son notables los separadores de membrana porosa en las baterías; separan los dos electrodos, lo que puede provocar el cortocircuito de la celda de la batería si entran en contacto entre sí, y permiten el movimiento de penetración de las cargas iónicas. El mecanismo de movimiento de iones determina el rendimiento de la batería. Para mejorar la conductividad iónica, los científicos deben desarrollar la propiedad más importante de los separadores, es decir, el valor de absorción de electrolitos. La alta porosidad de los materiales permite la captación y retención efectiva de electrolitos en el separador, proporcionando una larga vida útil a las baterías y reduciendo la resistencia iónica interna de las celdas de las baterías1. La técnica de electrohilado produce una membrana de fibra de porosidad extraordinariamente alta, una alta relación área superficial/volumen y diámetros de fibra de micras a nanos2. Se han estudiado varios tipos de separadores electrohilados basados en precursores de polímeros; los ejemplos incluyen fluoruro de polivinilideno (PVDF)3,4, poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno)5, poliimida (PI)6, poliacrilonitrilo (PAN)7 y membranas de fibra de vidrio modificadas con polímeros8. En estos precursores de polímeros, los grupos polares sirven como sitios de coordinación para el movimiento de cationes9. Saisangtham S. et al.10 ha desarrollado un separador basado en membranas electrohiladas de PAN/poliuretano (PU) de base biológica con una alta conductividad iónica. Se observaron los parámetros que afectan las propiedades de la membrana, incluida la concentración de polímero, el voltaje aplicado y la distancia desde la punta hasta el colector. De acuerdo con el diseño de Taguchi del experimento y la optimización mediante el análisis relacional de Gray, la membrana producida a partir de una concentración de polímero del 14 % en peso, un voltaje aplicado de 25 kV y una distancia de 16 cm desde la punta hasta el colector exhibió una excelente absorción de electrolitos del 1971 % y una conductividad de 3,11 mS cm−1. El separador electrohilado PI proporcionó una absorción de electrolito de Li del 2522 % y una porosidad del 92 %6. En particular, se ha informado una mayor capacidad de tasa C, un mejor rendimiento de ciclo y una menor resistencia celular con el uso de membranas electrohiladas11. La preparación de separadores compuestos llenos de partículas inorgánicas porosas, por ejemplo, alúmina (Al2O3)12, sílice (SiO2)13, zirconia (ZrO2)12 y dióxido de titanio (TiO2)14, es una técnica clave para mejorar la absorción de electrolitos. Además, las partículas inorgánicas desarrollan la fuerza mecánica y la resistencia térmica de los separadores compuestos resultantes. Se desarrolló una membrana basada en SiO2/PVDF11. La porosidad del 24 % en peso de SiO2 en el compuesto de PVDF representó una mejora del 120 % con respecto a la membrana de PVDF puro, lo que resultó en incrementos del 128 % y 152 % en la absorción de electrolitos y la conductividad iónica, respectivamente. Además, se incorporan otras estructuras de relleno a los materiales del separador para mejorar su desempeño; estas estructuras incluyen materiales de alta porosidad, como estructuras orgánicas metálicas (MOF)15 y estructuras bidimensionales (2D) como MXene16. Especialmente, MXene probablemente aumenta el rendimiento del separador debido a su naturaleza hidrófila.

MXene es una estructura 2D que combina carburos y carbonitruros de metales de transición. Por lo general, MXene se sintetiza a partir de la fase \({M}_{n+1}A{X}_{n}\) (fase MAX), donde M es un metal de transición, A se refiere a un elemento IIIA o IVA, X representa átomos de carbono o nitrógeno, y n = 1, 2, 3 números enteros. Por lo tanto, están disponibles diferentes estructuras químicas MXene, incluidas Ti3C2Tx17,18,19, Ta4C320,21, Nb2C22,23,24 y ZrC25,26. Ti3C2 se ha utilizado ampliamente. MXene exhibe excelentes propiedades fisicoquímicas inherentes, buena resistencia mecánica y conductividad eléctrica y térmica, por lo que ha atraído una atención considerable de los sectores académicos dadas sus amplias aplicaciones, especialmente en materiales de alta conductividad, incluido el electrodo para supercondensadores27,28, promotores para catalizadores, y absorbentes para iones de metales pesados. En general, MXene deslaminado se usa en tales aplicaciones. Para explotar aún más las propiedades únicas de MXene, desarrollamos una membrana compuesta de microláminas MXene en esta investigación. Con el abundante grupo polar en la partícula, los copos de MXene son compatibles con la matriz polimérica, que es una forma eficiente de obtener compuestos poliméricos multifuncionales. Además, MXene exhibe hidrofilicidad y se espera que absorba y retenga electrolitos acuosos en las celdas de la batería, mejorando así su rendimiento29.

En este documento, se fabricó una membrana separadora compuesta basada en PAN/PU de base biológica rellena con Ti3C2Tx MXene utilizando una técnica de electrohilado. Se estudiaron las condiciones de procesamiento adecuadas para PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene para obtener fibras continuas con Ti3C2 MXene bien disperso incrustado en la estructura de la fibra. Se investigaron los efectos del contenido de Ti3C2 MXene en las propiedades morfológicas, la interacción química y la resistencia mecánica de la membrana compuesta desarrollada. Se han desarrollado varios tipos de membranas para su uso en baterías de iones de litio. Sin embargo, publicaciones muy limitadas se han centrado en membranas separadoras adecuadas para baterías de iones de Zn. La membrana PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica desarrollada se aplicará a electrolitos de base acuosa en sistemas de baterías, que son un sistema seguro, económico y ecológico, especialmente las baterías de iones de Zn.

PAN con un peso molecular promedio de 150 000 g mol-1, dilaurato de dibutilestaño (95 %) y trifluorometanosulfonato de zinc (98 %) se adquirieron de Sigma-Aldrich Corporation (EE. UU.). Se adquirió policaprolactona diol con un Mn promedio de 2000 g mol-1 de Sigma-Aldrich Corporation (China). El etilenglicol (Grado AR) se adquirió de QReC (Nueva Zelanda). La dimetilformamida (DMF) fue suministrada por RCI Labscan limited (Tailandia). El diisocianato de base parcialmente biológica (Tolonate™ X FLO 100) fue proporcionado amablemente por Vencorex Co. Ltd (Francia). Su estructura química se muestra en la Figura S1 (a), y el PU de base biológica sintetizado se presenta en la Figura S1 (b). Ti3C2Tx MXene con un tamaño > 37 µm y una pureza > 98 % se adquirió de Wuxi Admas Technology Co., Ltd, Jiangsu, China.

En este estudio, se sintetizó PU de base biológica usando policaprolactona diol, diisocianato de base parcialmente biológica (Figura S1(a)) y etilenglicol en una proporción molar de 2,1:1:1 en un matraz de fondo redondo de cuatro bocas equipado con agitador mecánico, termómetro y condensador, siguiendo el método descrito anteriormente10. Todos los reactivos se cargaron en el reactor, que contenía disolvente DMF con la adición de catalizador de dilaurato de dibutilestaño. La reacción se llevó a cabo a una temperatura de 70 °C en atmósfera de N2. El PU de base biológica sintetizado se purificó en una gran cantidad de etanol. Luego, se utilizó PU de base biológica para evaporar el etanol. La figura S1(b) muestra la estructura química del PU de base biológica.

Se prepararon membranas electrohiladas de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene con diferentes contenidos de Ti3C2 MXene en el rango de 0–10 % en peso mediante la técnica de electrohilado. El equipo constaba de una fuente de alimentación de alto voltaje, una bomba de jeringa volumétrica y un colector de fibra, que fueron suministrados por IBA Company, Tailandia. Todo el equipo se colocó en una cámara y la humedad y la temperatura durante el experimento de electrospinning se controlaron al 40 % ± 3 % y 23 °C ± 2 °C, respectivamente. El PAN/PU de base biológica con una relación en peso de 75/25 y una concentración del 8 % en peso se disolvió en disolvente DMF durante la noche hasta que se obtuvo una solución homogénea de color amarillo. Ti3C2Tx MXene se dispersó en DMF por separado y se sonicó durante 2 h. A continuación, se mezclaron el polímero y la solución de Ti3C2 MXene y se sometieron a ultrasonidos durante 2 h. Se notó la solución oscura de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene. La Figura S2 muestra el proceso de preparación de PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica. El PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica se fabricó luego en una membrana no tejida mediante una técnica de electrohilado. Se seleccionó DMF como solvente porque tiene una alta presión de vapor y es un buen solvente para la buena dispersión de MXene30. La solución homogénea de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene se recolectó en una jeringa de 5 ml acoplada con una aguja con un diámetro interior de 0,5 mm y se colocó en una bomba de jeringa con un caudal controlado de solución de polímero de 2,0 ml/h. . El voltaje aplicado y la distancia de la punta al colector se fijaron en 26,5 kV y 20 cm, respectivamente. La figura 1 muestra la configuración del proceso de electrospinning para la preparación de membranas.

Esquema del proceso de electrohilado para la preparación de membrana electrohilada de PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica.

Las morfologías de las membranas electrohiladas PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica se determinaron mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM) (Hitachi SU-4800) equipado con un espectroscopio de rayos X de dispersión de energía (EDS). El proceso SEM se aceleró a un voltaje de 3,0 kV y una corriente de emisión de 10 mA. Las superficies de las muestras se recubrieron con oro antes de la medición. El diámetro de fibra promedio y la estructura similar a una perla fueron de 130 mediciones y se obtuvieron utilizando la Imagen J.

Los espectros de difracción de rayos X (XRD) (Bruker AXS modelo D8 Advance, Alemania) se adquirieron usando un difractómetro de polvo con radiación Cu Kα en un tamaño de paso de 0,02° en el rango de 5–80°, voltaje de aceleración de 40 kV, y corriente de emisión de 40 mA.

La porosidad de la membrana electrohilada se midió usando la prueba de absorción de n-butanol. A continuación, las muestras se cortaron en trozos de 1,9 cm2. Los valores de porosidad se calcularon utilizando la Ec. (1):

donde \({W}_{d}\) es el peso seco de la membrana electrohilada de PAN/PU bio/Ti3C2 MXene, \({W}_{w}\) es el peso húmedo de la membrana después de la inmersión de la muestra en n-butanol durante 2 h, \({\rho }_{b}\) es la densidad de n-butanol, y \({V}_{d}\) es el volumen de las esteras secas. El valor medio se calculó a partir de tres mediciones.

Las muestras de membrana se cortaron en dimensiones de 2 × 2 cm2. La absorción de electrolitos de las membranas se determinó utilizando la ecuación. (2).

donde \({W}_{d}\) y \({W}_{w}\) son el peso de la membrana PAN/PU de base biológica/Ti3C2 MXene antes y después de la inmersión de la muestra en el electrolito líquido durante 1 h, respectivamente. El valor medio se calculó a partir de tres mediciones.

La humectabilidad de la membrana por un electrolito se observó colocando una gota de electrolito en sus superficies y se confirmó mediante un analizador de ángulo de contacto interno. La membrana electrohilada se secó al vacío durante la noche para eliminar toda la humedad. Las mediciones del ángulo de contacto se realizaron en 5 s colocando una gota del electrolito en las muestras. Los ángulos de contacto finales se obtuvieron como el promedio de tres mediciones a temperatura ambiente.

Se utilizó un potenciostato/galvanostato (PSTrace4 Palm Sens) para investigar las propiedades electroquímicas. Las mediciones se realizaron utilizando un potencial de CA aplicado de 10 mV de 1 MHz a 1 Hz. La celda de Zn/separador/Zn se construyó mediante la inserción de una membrana entre los electrodos de bloqueo hechos de acero inoxidable. El grosor de la membrana y el área activa fueron de aproximadamente 250-350 μm y 2,834 cm2, respectivamente4. Las mediciones del número de transferencia se realizaron utilizando el método de polarización DC mediante cronoamperometría. Se aplicó un voltaje de polarización de 10 mV a través de las muestras y se registraron la corriente máxima inicial I0 y la corriente de estado estable Is. La conductividad iónica (σ) se puede determinar a través de la ecuación. (3). El valor promedio fue de tres mediciones.

donde d representa el espesor del separador, R representa la resistencia aparente y S es el área de contacto efectivo entre el separador y el electrodo.

Se llevaron pilas tipo moneda (CR2032), incluido Zn/separador/Zn, para estudiar su compatibilidad electroquímica usando el perfil de voltaje del sistema de prueba de baterías Neware (Shenzhen Neware CT-4008). Los ciclos de carga-descarga de las celdas simétricas de Zn//Zn se generaron a densidades de corriente de 0,25, 0,50, 1,25 y 2,50 mA cm−2 durante 100 h. La prueba requirió 25 h para completar un ciclo. Luego, la respuesta de voltaje se graficó contra el tiempo. La celda completa con defecto de oxígeno enriquecido (NH4) 2V10O25⋅8H2O (NVO) se explicó en forma complementaria. La voltamperometría cíclica (CV) se realizó en un potenciostato PalmSens4 (DutchDisclaimer) con velocidades de exploración de 0,1 mV s−1. El rendimiento de la batería se estudió con un probador de batería LAND (CT2001A) (Wuhan, China) a diferentes densidades de corriente en la ventana de voltaje de 0,50 a 1,50 V (vs. Zn/Zn2 +) para Zn//NVO.

Se determinó la estabilidad dimensional térmica de la membrana. La muestra de forma circular que tiene un diámetro de 19 mm se calentó en un horno a una temperatura de 150 °C durante 1 h.

La morfología de la microlámina Ti3C2Tx MXene prístina fue investigada por SEM (Fig. 2). Se puede observar la arquitectura multicapa y bien alineada de la microlámina Ti3C2Tx MXene, y el grosor de la lámina era de aproximadamente 1,5 a 2 µm. Con el grabado de Al en el proceso de producción de MXene, los objetos voluminosos se arrugaron y se observaron láminas apiladas con pequeños huecos entre las láminas interconectadas. Una aglomeración apilada de pocas capas puede resultar del reapilamiento de hojas durante el proceso de secado.

Imágenes SEM de hoja micro-nano Ti3C2Tx MXene.

La fibra electrohilada pura de PAN/PU de base biológica se preparó con anticipación para encontrar las condiciones de procesamiento adecuadas antes de agregar Ti3C2Tx MXene. La Figura 3 muestra que el PAN/PU de base biológica a una concentración del 8 % en peso y condiciones de electrohilado de 26,5 kV de voltaje aplicado y una distancia de 20 cm desde la punta hasta el colector mostró fibras suaves y continuas sin la apariencia de perlas. Por lo tanto, el PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene electrospun con 0,1–10 % en peso de Ti3C2Tx MXene se fabricó utilizando las mismas condiciones. En presencia de Ti3C2Tx MXene, la morfología de la fibra cambió (Fig. 3) y se observó una estructura similar a una cuenta (ampliada en la Figura S3). Luego, las fibras de varias micras de microfibra de vidrio comercial se muestran en la Figura S4. Los electrones retrodispersados (BSE) de SEM se obtuvieron para confirmar la presencia de Ti3C2 MXene en la nanofibra. Las imágenes de BSE presentaron alta sensibilidad a diferentes números atómicos de elementos. El punto brillante de un material indica un número atómico alto. Ti en Ti3C2Tx MXene tiene un número atómico de 22, que es notablemente más alto que los de la columna vertebral de la cadena de polímero que contiene C, N y O, que tienen números atómicos de 6, 7 y 8, respectivamente. Por lo tanto, el Ti2C3 MXene continuo y bien distribuido en fibras compuestas de PU de base biológica/PAN se preparó con éxito cuando se usó hasta un 10 % en peso de contenido de Ti3C2Tx MXene (Tabla S1). El mapeo elemental se realizó en una fibra de membrana electrohilada fabricada a partir de una solución que contenía 10% en peso de Ti3C2Tx MXene (Fig. 4a). De la Fig. 4b, el espectro EDS también mostró un pico de Ti de Ti3C2. El resultado confirmó la presencia de Ti de Ti3C2Tx MXene en la fibra de PAN/PU de base biológica, y F probablemente se generó a partir del proceso de grabado durante la síntesis de MXene. La gran cantidad de Ti3C2Tx MXene resultó en una solución de polímero de viscosidad extremadamente alta y capacidad de hilado final para la formación de fibras. Con la incorporación de 0.1–10% en peso de Ti3C2Tx MXene, se observaron cambios en la morfología de la fibra de la membrana obtenida a medida que Ti3C2Tx MXene se incrustaba en la estructura de la fibra. Como se presenta en la Tabla S1, el diámetro disminuyó significativamente de 510 nm en la membrana pura a aproximadamente 220-240 nm en la membrana compuesta de Ti3C2Tx MXene al 0,1-10% en peso. Este resultado se debió a que las cadenas de polímero se alargaron para encapsular la microlámina Ti3C2 MXene, lo que disminuyó el tamaño de la fibra. El tamaño de Ti3C2Tx MXene incrustado en la fibra midió 2,1 ± 0,8 µm en la muestra de 0,1 % en peso, y este hallazgo implicaba una distribución de tamaño relativamente amplia. El tamaño disminuyó significativamente a 2,0 ± 0,6 µm en la muestra con 5% en peso de Ti3C2Tx MXene. La gran cantidad de Ti3C2Tx MXene dio como resultado la aglomeración de partículas, que midieron 5,1 ± 2,8 y 4,2 ± 2,6 µm en la fibra compuesta de PAN/compuesto de PU de base biológica/Ti3C2 MXene con 7 y 10 % en peso de Ti3C2Tx MXene, respectivamente. Esta característica también se observó en el sistema de PVDF/nanotubo de haloisita31 y óxido de polietileno/Ti3C232. Los resultados mostraron que el diámetro de la fibra de PVDF disminuye en presencia de inorgánicos.

Morfología de la membrana compuesta de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene con diferentes contenidos de Ti3C2Tx MXene: (a) 0 % en peso de MXene, (b) 0,1 % en peso de MXene, (c) 1 % en peso de MXene, (d) 5 % en peso de MXene , (e) 7% en peso de MXene, y (f) 10% en peso de MXene. Condiciones de preparación: tensión aplicada de 26,5 kV, distancia de la punta al colector de 20 cm y caudal de solución de 2 ml/h.

Análisis elemental de la membrana compuesta PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica: (a) imágenes de mapeo de elementos y (b) espectro EDX que indica Ti en la nanofibra.

Se investigó más a fondo la apariencia física de la membrana compuesta Ti3C2Tx MXene (Fig. 5). El color del compuesto cambió gradualmente con las concentraciones de Ti3C2Tx MXene, es decir, de la membrana de PU de base biológica/PAN puro blanco perla a la membrana de compuesto gris claro Ti3C2Tx MXene. Este resultado se debió a la mayor cantidad de polvo de metal negro de MXene y la distribución de partículas del pozo. Sin embargo, el color era diferente al de una nanofibra MXene/PAN que mostraba una membrana oscura debido al uso de la nanolámina MXene33.

Imágenes ópticas de membrana compuesta de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene con diferentes contenidos de MXene.

La apariencia mecánica fue evidentemente representada por la prueba de plegado. La Figura S5 muestra la flexibilidad de la membrana compuesta PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica, que reveló la alta flexibilidad de la membrana compuesta Ti3C2Tx MXene sin agrietarse. El compuesto fibra/MXene mostró una robusta flexibilidad mecánica sin ningún otro aditivo, beneficiándose de la alta porosidad de la membrana electrohilada. Sin embargo, las partículas rígidas estaban incrustadas en la estructura de la fibra. Además, la mayor resistencia a la tracción fue de 1,68 ± 0,14 MPa para el contenido de 5 % de MXene de la membrana compuesta de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene. El resultado indicó la adecuada aplicación de membranas compuestas en dispositivos electrónicos flexibles.

La Figura S6 muestra el patrón XRD de Ti3C2Tx MXene prístino, con los picos cristalinos en (002), (004), (006), (101), (103), (104), (105), (107) y (108) plano correspondiente a 2θ de 9,7°, 18,3°, 23,2°, 34,1°, 36,8°, 38,9°, 41,8°, 50,6° y 52,4°, respectivamente. El resultado de XRD correspondió a lo informado por Cao Y (2017)34. Entre estos picos, los planos (002), (004), (006), (008) y (105) se atribuyeron a la estructura MXene. La intensidad máxima a 2θ de 38,9° estaba relacionada con la capa de Al y reveló algún residuo de fase MAX en el Ti3C2Tx MXene35. El resultado de XRD correspondió al hallazgo de EDS, que mostró trazas insignificantes de Al en comparación con los picos de Ti y C36.

Se determinaron los patrones XRD del PAN puro/PU de base biológica y sus compuestos Ti3C2Tx MXene (Fig. 6). El polímero puro exhibió el empaquetamiento ordenado de la columna vertebral del polímero con una región cristalina en 2θ = 17° y un pico ancho cerca de 26°, lo que indica la región amorfa de la nanofibra. Con la incorporación de Ti3C2Tx MXene, la intensidad del pico se amplió, mostrando la estructura cristalina reducida en el polímero a través de la estructura intercalada de la cadena de polímero compuesto16. La disminución de las regiones cristalinas o el aumento de las regiones amorfas de la matriz polimérica mejoraron la captación de electrolitos y las conductividades iónicas de la membrana37.

Patrones XRD de (a) PAN puro/U de base biológica y (b) PAN/PU de base biológica con 10 % en peso de Ti3C2Tx MXene.

La interacción química del compuesto PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene con contenidos de Ti3C2Tx MXene se estudió mediante la técnica FTIR. En la Fig. 7, se observaron los picos característicos del enlace de uretano, es decir, los picos de absorción amplios en 3434 y 1536 cm−1 estaban relacionados con las vibraciones de estiramiento y flexión N-H del enlace de uretano, respectivamente, mientras que el pico el número de onda de 1724 cm−1 se asignó al estiramiento C=O38. Además, los espectros FTIR a 2930 y 1450 cm−1 se atribuyeron a las vibraciones asimétricas de estiramiento y flexión del grupo metileno de PAN, respectivamente. Además, el pico de absorción a 2242 cm−1 se asignó al grupo CN de PAN39. MXene exhibió un pico característico a 550 (500–650) cm−1, y se asignó a la vibración de tracción Ti–O, mientras que la presencia de los grupos funcionales –O y –OH de MXene se confirmó a partir del pico de C– O estiramiento a 920–1160 cm−1 y O–H vibraciones de flexión a 1400–1650 cm40, correspondientes a los resultados de un informe anterior40,41. Con la adición de Ti3C2 MXene, no se modificó ningún pico característico de PAN/PU de base biológica, lo que indica que no se produjo ninguna interacción química entre Ti3C2Tx MXene y la matriz polimérica. Este comportamiento también se encontró en el sistema de PU/nanoarcilla42.

Espectros FTIR de membranas compuestas de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene con diferentes contenidos de Ti3C2Tx MXene.

Como depósito de electrolitos y medio de transferencia iónica del separador, la porosidad de la muestra es un parámetro importante que determina el rendimiento del separador. Los valores de porosidad de la membrana electrohilada de PU de base biológica/PAN y sus compuestos Ti3C2 MXene estaban en el rango de 97.97–99.65% (Fig. 8a). La porosidad fue consistente con el incremento en el contenido de MXene hasta 99.65%. La razón principal es que las membranas de nanofibras tenían una estructura de red 3D aleatoria y las fibras se superponían entre sí para formar la estructura de poros. De acuerdo con la morfología en la Fig. 3, todas las fibras compuestas MXene mostraron diámetros más pequeños en comparación con la fibra de polímero pura. Además, presentaron algunas estructuras de fibras fusiformes y estructuras de poros complejas, lo que probablemente provocó el aumento en el valor de la porosidad. El valor de porosidad obtenido de este trabajo fue mayor que el reportado para el sistema compuesto PVDF/acetato de celulosa/AgTiO2 (88%)43. El aumento de la porosidad con el aumento del relleno inorgánico se reveló en el separador preparado a partir del nanotubo de haloisita PVDF-acetato de celulosa31.

Representativo (a) porosidad (rojo) y absorción de electrolitos (azul) y (b) esquema de la prueba de ángulo de contacto del compuesto PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene.

La humectabilidad de las fibras electrohiladas compuestas de muestra se evaluó mediante la medición del ángulo de contacto con el agua (Fig. 8b). Los resultados mostraron que el ángulo de contacto disminuyó con el aumento del contenido de MXene en la membrana compuesta. La planitud de las gotitas sobre la muestra denotaba el desarrollo de la humectabilidad de la muestra. Esta tendencia de mejora fue similar a la reportada por Awasthi et al. La humectabilidad mejorada de la membrana con el aumento de la cantidad de MXene se puede relacionar con la hidrofilia de MXene debido a la presencia de restos de hidroxilo u oxígeno como grupos terminales44. La alta humectabilidad de la membrana del separador indica su buena capacidad para absorber soluciones electrolíticas. Además, soporta una baja resistencia iónica interna en las baterías y extiende la retención de electrolitos en las celdas de la batería1.

La absorción de electrolitos, es decir, la capacidad de absorción de electrolitos líquidos del separador, es una propiedad crucial. Liu et al. informaron una absorción de electrolitos del 240 % en la nanosílice recubierta en un separador de PP convencional45. Liang et al. también desarrolló un separador fibroso electrospinning de PVDF, y presentó más de 400% de absorción de electrolitos3. Una gran absorción de electrolito líquido es esencial para los separadores porque la cantidad de electrolito líquido entre los electrodos puede afectar la resistencia iónica interna de las baterías. La absorción de electrolitos del compuesto PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene estuvo en el rango de 1783 % a 2491 %, como se representa en la Fig. 8a. El valor aumentó con el contenido de Ti3C2Tx MXene y alcanzó un valor máximo al 10 % en peso de Ti3C2Tx MXene. La relación entre la absorción de electrolitos y la porosidad mostró tendencias similares. El aumento en la absorción de electrolito se atribuyó a la alta compatibilidad del separador con el electrolito líquido.

Los separadores, que son materiales de estructura porosa, normalmente proporcionan un canal de transporte de iones, que está relacionado con la conductividad iónica de las baterías. La espectroscopia de impedancia de CA se utilizó para la investigación. La conductividad iónica se calculó utilizando la ecuación. (3), en el que se utilizó la intersección de la gráfica de Nyquist a alta frecuencia en la Z real como la resistencia global (Rb). La Figura S7 muestra el diagrama de Nyquist del compuesto PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene, y la Figura S7 (recuadro) presenta la conductividad iónica calculada desde el punto de intercepción en el eje x. Los resultados mostraron que las conductividades iónicas del compuesto Ti3C2Tx MXene eran todas mayores que las de la fibra pura de PAN/PU de base biológica. Además, la conductividad iónica aumentó con el aumento de las composiciones Ti3C2Tx MXene. De acuerdo con la porosidad y la absorción de electrolitos, toda la adición de MXene provocó el aumento de la porosidad y la absorción de electrolitos, lo que denotó el aumento de los canales de transporte en el mismo volumen de separador y la mejora de la movilidad de los iones de zinc. Además, se atribuyó a la extensa superficie accesible a los iones de Mxene y a los grupos funcionales de la superficie que, según se informó, desempeñan un papel positivo en la reorganización de la estructura de la cadena de la matriz polimérica para concentrar iones libres46,47,48.

La Tabla 1 muestra las conductividades iónicas observadas en este trabajo. La conductividad iónica más alta fue de hasta 3,35 mS cm−1 a partir del 5 % de contenido de Ti3C2Tx MXene. La capacidad de transporte iónico de la fibra electrohilada de PU de base biológica/PAN aumentó con el aumento del contenido de Ti3C2Tx MXene. Sin embargo, la conductividad iónica disminuyó a altas cargas de Ti3C2Tx MXene. Este fenómeno probablemente se debió al tortuoso canal de transporte de iones y la alta cristalinidad del separador asociada con altos contenidos de relleno. La tendencia de renovación de la conductividad iónica fue similar a la reportada para el poli(óxido de etileno) modificado con MXene y el PVDF-hexafluoropropileno 12,13. La Tabla 2 resume el rendimiento de los separadores compuestos. El número de transferencia de iones se calculó utilizando las corrientes en los estados estacionario e inicial en cronoamperometría (Figura S8). Los números de transferencia de Zn+ fueron 0,49 y 0,54 para las membranas de microfibra de vidrio y PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene, respectivamente. El alto número de transferencia de iones se debió a la estructura porosa de la membrana PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene.

La figura 9 muestra el rendimiento cíclico típico y el perfil de voltaje durante ciclos de carga/descarga a largo plazo a temperatura ambiente. El voltaje de polarización se representó frente al tiempo de operación. Se ensayó el montaje de separadores en baterías simétricas de Zn con densidad de corriente de 0,25 a 2,50 mA cm−2. De la Fig. 9a, la trama del separador de microfibra de vidrio presentó una señal de voltaje no estable en cada densidad de corriente y provocó un cortocircuito durante el proceso del ciclo, lo que reveló la penetración de dendrita de zinc en la membrana51. El separador de membrana electroestirada de PAN/PU y su compuesto con MXene (Fig. 9b y c) mostró perfiles de voltaje estables y no presentó señal de cortocircuito. La comparación de la estabilidad de la tensión se presenta en el proceso de carga/descarga ampliado en la Fig. 9d–f. Además, PAN/PU de base biológica/5 % en peso de MXene presentó un sobrepotencial de voltaje ligeramente más bajo que PAN puro/PU de base biológica, lo que reflejó la resistencia interna más baja del Zn simétrico/(PAN/PU de base biológica/5 en peso). % MXene)/célula Zn. El excelente sobrepotencial se debió a la buena compatibilidad de los materiales entre la membrana y el electrodo y a la cantidad suficiente de electrolitos en la membrana52 y los grupos funcionales de la superficie que, según se informó, desempeñan un papel positivo en la reorganización de la estructura de la cadena de la matriz polimérica para concentrar iones libres47,48. El perfil de voltaje estable y sin cortocircuitos de PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene ha mostrado un gran potencial para su uso en aplicaciones seguras de baterías de Zn. Además, se investigó el electrodo de zinc después de la prueba de carga/descarga y la morfología observada por SEM se muestra en la Figura S9. En la Figura S9(a), se notó una superficie relativamente lisa de PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene, lo que indica la inducción de la electrodeposición de zinc uniforme por el lado halogenado de MXene. Mientras que el separador de microfibra de vidrio (Figura S9(b)) mostró una gran cantidad de escamas como una estructura que representa la formación de dendrita de zinc en el electrodo.

Prueba de celda de simetría de Zn para el ciclo de carga/descarga de (a) separador de fibra de vidrio, (b) PAN/PU de base biológica sin MXene, y (c) PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene; perfil de voltaje en 25 a 50 ciclos de (d) separador de fibra de vidrio, (e) PAN/PU de base biológica sin MXene, y (f) PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene.

El ensamblaje de la celda completa se realizó para confirmar el rendimiento de PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene como separador en aplicaciones de batería. Se preparó la celda completa con cátodo a base de vanadio y ánodo de zinc (NVO//Zn). La voltamperometría cíclica (CV) de la batería que tiene PAN/PU de base biológica/5% en peso de MXene como separador se muestra en la Fig. 10. El primer pico de oxidación se observó con un potencial de oxidación de 1,21 V, mientras que el potencial de reducción de 0,85 V representaba como el pico reversible. El ciclo completo de oxidación y reducción en la curva CV fue evidente para confirmar la celda de batería utilizable. Además, el gráfico de rendimiento de la tasa se obtuvo del probador de batería LAND. La batería NVO//Zn con PAN/PU de base biológica/5% en peso MXene presentó la celda de batería funcional de varias tasas, como se muestra en la Figura S10. La capacidad específica disminuyó con el aumento de la tasa actual debido a la polarización agravada53.

La curva presenta un perfil de voltamperometría cíclica a una velocidad de exploración de 1 mV s−1 de una batería NVO//Zn de celda completa.

En el uso práctico de un separador, la celda de la batería puede generar algo de temperatura durante la operación. Dado que los materiales termoplásticos convencionales restringen las estabilidades térmicas de los separadores de batería, el cambio dimensional o la contracción de las muestras puede provocar un cortocircuito eléctrico o una fuga térmica, lo que es particularmente problemático54. En este trabajo, se observaron las estabilidades térmicas del compuesto PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene después de un calentamiento continuo a una temperatura alta de 150 °C durante 1 hora. La Figura 11 presenta las apariencias y morfologías de las membranas antes y después del calentamiento. Las apariencias de todas las muestras después del calentamiento indicaron que las membranas pueden retener su forma sin cambios dimensionales. Además, la micrografía SEM de las membranas después del calentamiento (Figura S11) mostró que la estructura altamente porosa de la membrana se retuvo con algunas fibras hinchadas. Además, no se observaron poros cerrados. Después del calentamiento, todas las muestras presentaron estructuras porosas y poros abiertos. En comparación, el diámetro de fibra grande y la estructura de poros aumentada bajo el alto contenido de MXeno se observaron después del calentamiento. El resultado indicó que con la incorporación de Ti3C2Tx MXene, se puede mejorar la estabilidad dimensional térmica de PAN/PU de base biológica. Sin embargo, bajo condiciones severas de calentamiento de 150 °C y 180 °C por cada hora, se observaron cambios dimensionales evidentes (Figura S12). Las muestras se encogieron aproximadamente de 2 a 3 mm debido a la alta temperatura y al largo tiempo de tratamiento.

Compuesto de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene (a) antes y (b) después de calentar a 150 °C durante 1 h.

Además, se determinaron los espectros FTIR de la membrana compuesta PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene después del calentamiento (Fig. 12). Los espectros FTIR de PAN/PU de base biológica después del calentamiento ilustraron que las bandas de absorción a 2242 cm−1 disminuyeron en comparación con las de la muestra antes del calentamiento, lo que indica la reacción de ciclación entre los –CN adyacentes en la estructura de PAN. De la misma manera, los picos de absorción a 2930 y 1450 cm−1, que correspondían a las vibraciones de estiramiento y flexión del grupo metilo, respectivamente, disminuyeron, revelando la deshidrogenación de la cadena PAN55. Durante el tratamiento térmico, apareció un hombro débil a 2211 cm−1, y se debió a la conjugación de –CN con el adyacente –C=CH– resultante de una reacción de deshidrogenación. Un comportamiento similar también fue reportado56. No se observó ningún cambio significativo en la intensidad del pico de absorción en el compuesto PAN/PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica, lo que indica el efecto de barrera térmica de la fase de metal MXene incrustada.

Espectros FTIR de membrana compuesta de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene con diferentes contenidos de Ti3C2 MXene después de calentar a 150 °C durante 1 h.

En resumen, las membranas compuestas de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene se fabricaron con éxito mediante una técnica de electrohilado. La mezcla de solución de polímero de PAN y PU de base biológica en una proporción de 75/25 exhibió una fibra electrohilada suave y continua sin formación de perlas. Por lo tanto, esta proporción de polímero se usó más para preparar nanofibras compuestas MXene. MXene se agregó al polímero en el rango de 0-10% en peso. La micrografía SEM mostró que la microlámina Ti3C2 MXene estaba incrustada en la fibra PAN/PU de base biológica, apareciendo como una estructura de fibra similar a un huso. La gran estructura fusiforme de la nanofibra se observó en la muestra con un alto contenido de Ti3C2Tx MXene. Sin embargo, con cantidades más altas de Ti3C2Tx MXene (5% en peso), se notó una estructura menos parecida a un huso y el tamaño aumentó, lo que indica la aglomeración de Ti3C2Tx MXene. El resultado de EDX también confirmó la integración de MXene en la fibra. La membrana compuesta mostró una gran flexibilidad ya que las esteras pueden envolver una barra de vidrio sin que se agriete. La integración de MXene en PAN/PU de base biológica dio como resultado una estructura intercalada, como se observa en los resultados de XRD. La porosidad de la fibra electrohilada aumentó con el aumento del contenido de Ti3C2Tx MXene debido a la mayor estructura de conexión de Ti3C2Tx MXene en la muestra. La porosidad sobresaliente también afectó la absorción de electrolitos. La conductividad iónica de la muestra aumentó con el aumento de Ti3C2Tx y MXene, como resultado de la alta porosidad y la absorción de electrolitos. Con una alta absorción de electrolitos y conductividad iónica, el rendimiento estable de carga y descarga también se presentó a partir de PAN/PU de base biológica/Ti3C2Tx MXene, y no se detectó ninguna señal de cortocircuito a través de pruebas de ciclo con densidades de corriente variables. Sin embargo, una absorción de electrolitos extremadamente alta provocó una reducción de la conductividad iónica. La morfología de la estructura de la fibra de la membrana compuesta mostró muy pocos cambios a medida que la fibra se hinchaba después de la condición de calentamiento. Además, el Ti3C2Tx MXene impidió la descomposición del compuesto polimérico, como lo demuestran los espectros FTIR. En consecuencia, la membrana compuesta PAN/PU/ Ti3C2Tx MXene es un separador prometedor para aplicaciones de baterías de iones de Zn de alto rendimiento.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Huang, X. Tecnologías de separación para baterías de iones de litio. J. Electroquímica de estado sólido. 15, 649–662 (2010).

Artículo Google Académico

Okhawilai, M., Rangkupan, R., Kanokpanont, S. y Damrongsakkul, S. Preparación de esteras de fibra electrohilada de fibroína/gelatina de seda tailandesa para aplicaciones de liberación controlada. En t. J. Biol. macromol. 46, 544–550 (2010).

Artículo PubMed CAS Google Académico

Liang, Y. et al. Tratamiento térmico de separadores de membrana fibrosa de fluoruro de polivinilideno electrohilado para baterías recargables de iones de litio. J. Fuentes de alimentación 240, 204–211 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Yang, C., Jia, Z., Guan, Z. y Wang, L. Membrana de fluoruro de polivinilideno mediante un novedoso sistema de electrohilado para el separador de baterías de iones de litio. J. Fuentes de energía 189, 716–720 (2009).

Artículo ADS CAS Google Académico

Chen, W., Liu, Y., Ma, Y., Liu, J. y Liu, X. Rendimiento mejorado de la membrana de nanofibras PVdF-HFP/PI para el separador de baterías de iones de litio preparado mediante un método de electrohilado cruzado bicomponente. Mate. Letón. 133, 67–70 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Cao, L., An, P., Xu, Z. y Huang, J. Evaluación del rendimiento de separadores no tejidos de poliimida electrohilados para baterías de iones de litio de alta potencia. J. Electroanal. química 767, 34–39 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Dong, T., Arifeen, WU, Choi, J., Yoo, K. y Ko, T. Nanomembrana de poliacrilonitrilo electrohilado modificada en la superficie para un separador de batería de iones de litio basado en un mecanismo de separación de fases. química Ing. J. 398, 125646. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125646 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhu, Y. et al. Esteras de fibra de vidrio baratas como matriz de electrolitos de polímero de gel para baterías de iones de litio. ciencia Rep. 3, 3187. https://doi.org/10.1038/srep03187 (2013).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Aziz, SB, Woo, TJ, Kadir, MFZ & Ahmed, HM Una revisión conceptual sobre electrolitos poliméricos y modelos de transporte de iones. J. Ciencia. Adv. Mate. Dispositivos 3, 1–17 (2018).

Artículo Google Académico

Saisangtham, S. et al. Esteras de fibra electrohilada de poliacrilonitrilo/poliuretano de base biológica como separadores avanzados para baterías de iones de Zn de alto rendimiento. Express Polym. Letón. 16, 827–845 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Yanilmaz, M., Lu, Y., Dirican, M., Fu, K. y Zhang, X. Separadores de membrana híbridos de nanopartículas sobre nanofibras para baterías de iones de litio mediante la combinación de técnicas de electropulverización y electrohilado. J. Miembro ciencia 456, 57–65 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Shekarian, E., Nasr, MRJ, Mohammadi, T., Bakhtiari, O. y Javanbakht, M. Humectabilidad mejorada y absorción de electrolitos de separadores de polipropileno comerciales revestidos con nanopolvos inorgánicos para su aplicación en baterías de iones de litio. J. Nanoestructura. 9, 736–750 (2019).

CAS Google Académico

Dou, Q. et al. Preparación de compuestos de polipropileno/sílice mediante procesamiento sol-gel in situ utilizando polietoxisiloxano hiperramificado. J. Sol–Gel Sci. Tecnología 48, 51–60 (2008).

Artículo CAS Google Académico

Zhu, M., Wang, Q., Zhou, H. y Qi, L. Separadores de polipropileno recubiertos de TiO2 sin aglutinantes para baterías de iones de litio avanzadas. Tecnología energética. 8, 2000228. https://doi.org/10.1002/ente.202000228 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Maeboonruan, N. et al. Supresión de dendritas con estructuras metalorgánicas a base de circonio (IV) separador de microfibra de vidrio modificado para baterías recargables de iones de zinc de duración ultralarga. J. Ciencia. Adv. Mate. Dispositivos 7, 100467. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2022.100467 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, J. et al. Ti3C2Tx sulfonado para construir vías de transferencia de protones en una membrana electrolítica de polímero para mejorar la conducción. Ion de estado sólido. 310, 100–111 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Haq, Y.-U. et al. Síntesis y caracterización de 2D MXene: Fabricación de dispositivos para detección de humedad. J. Ciencia. Adv. Mate. Dispositivos 7, 100390. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2021.08.003 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Sun, L., Sun, N., Liu, Y. y Jiang, C. Propiedades de fricción anisotrópicas entre heterouniones dependientes de la capa Ti3C2Tx MXene/SiO2. J. Ciencia. Adv. Mate. Dispositivos. 6, 488–493 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, S., Wu, J., Liu, J., Yang, Z. y Wang, G. Nanoláminas Ti3C2Tx MXene intercaladas entre mallas de fibra de poliimida con nanocables Ag para protección contra interferencias electromagnéticas. Aplicación ACS. Nano Materia. 4, 13976–13985 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Dai, C. et al. Nanoláminas compuestas bidimensionales de carburo de tantalio (MXenes) para la ablación tumoral fototérmica guiada por imágenes múltiples. ACS Nano 11, 12696–12712 (2017).

Artículo PubMed CAS Google Académico

Syamsai, R. & Grace, AN Ta4C3 MXene como electrodos supercondensadores. J. Aleaciones Compd. 792, 1230–1238 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Shen, B. et al. Síntesis de material de electrodo de estructura en capas 2D basado en Nb2C MXene para supercondensadores de tipo batería de alto rendimiento. Electrochim. Acta 413, 140144. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140144 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Yin, J. et al. Los andamios funcionalizados con Nb2C MXene permiten la fototerapia del osteosarcoma y la angiogénesis/osteogénesis de los defectos óseos. Nano-Micro Lett. 13, 30. https://doi.org/10.1007/s40820-020-00547-6 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Tiu, ZC, Tan, SJ, Yusoff, N. & Ahmad, H. Desarrollo de un modulador de polarización usando película delgada MXene. ciencia Rep. 12, 6766. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10768-x (2022).

Artículo ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Meng, Q. et al. Investigación teórica de MXenes de carburo de circonio como posibles materiales de ánodo de alta capacidad para baterías de iones de Na. J.Mater. química A6, 13652–13660 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, J. et al. Un carburo de circonio bidimensional por grabado selectivo de Al3C3 a partir de Zr3Al3C5 nanolaminado. Angew. química En t. ed. ingl. 55, 5008–5013 (2016).

Artículo PubMed CAS Google Académico

Kaewpijit, P., Qin, J. y Pattananuwat, P. Preparación de electrodo de grafeno dopado MXene/N, S para aplicación de supercapacitores. Conferencia de la OIO. Ser. Mate. ciencia Ing. 600, 012008 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Venkatkarthick, R. & Qin, J. Un nuevo compuesto 3D de material cerámico biodegradable basado en V2O5 preparado mediante un método térmico ecológico para aplicaciones de supercapacitores. Reinar. Tecnología innovador 22, 101474. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101474 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Liu, J. et al. Una estrategia sinérgica de buena dispersión de Ti3C2Tx MXene hidrófilo en compuestos de polibenzoxazina hidrófobos para mejorar el rendimiento integral. compos. ciencia Tecnología 219, 109248. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109248 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Maleski, K., Mochalin, VN & Gogotsi, Y. Dispersiones de carburo de titanio bidimensional MXene en solventes orgánicos. química Mate. 29, 1632-1640 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Wang, S., Zhang, D., Shao, Z. y Liu, S. Separador tipo sándwich mejorado con materiales celulósicos a través de electrohilado hacia una batería de iones de litio más segura. Carbohidr. polim. 214, 328–336 (2019).

Artículo PubMed CAS Google Académico

Mayerberger, EA et al. Preparación y caracterización de nanofibras compuestas de polímero-Ti3C2Tx (MXene) producidas mediante electrohilado. Aplicación J. polim. ciencia 134, 45295. https://doi.org/10.1002/app.45295 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Levitt, AS et al. Nanofibras de carbono/MXene electrohiladas como electrodos de supercondensador. J.Mater. química A. 7, 269–277 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Cao, Y. et al. Propiedades térmicas mejoradas de compuestos de poli(fluoruro de vinilideno) con nanoláminas ultrafinas de MXene. RSC Avanzado. 7, 20494–20501 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

von Treifeldt, JE et al. El efecto de la historia sintética de la fase Ti3AlC2 MAX en la estructura y las propiedades electroquímicas de los Ti3C2 MXenes resultantes. Mate. Des. 199, 109403. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109403 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Ghosh, A., Pal, H., Das, T., Chatterjee, S. & Das, A. Síntesis y caracterización de MXene de la fase MAX. Mate. Hoy Proc. 58, 714–716 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Li, X., Chen, S., Xia, Z., Li, L. y Yuan, W. Alto rendimiento de la membrana compuesta de nanofibras de boehmita/poliacrilonitrilo para baterías de polímero de iones de litio. RSC Avanzado. 10, 27492–27501 (2020).

Artículo ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Bergamasco, S. et al. Síntesis y caracterizaciones de películas de recubrimiento de poliuretano a base de lignina organosolv ecológicas para la industria de recubrimientos. Polímeros (Basilea) 14(3), 416. https://doi.org/10.3390/polym14030416 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Guhanathan, S., Hariharan, R. y Sarojadevi, M. Estudios sobre la red de polímero interpenetrante de poliuretano/poliacrilonitrilo a base de aceite de ricino para el endurecimiento de la resina de poliéster insaturada. Aplicación J. polim. ciencia 98, 817–829 (2004).

Artículo Google Académico

Wei, Y. et al. Fabricación de nanoestructuras ternarias MXene/MnO2/polianilina con buenas prestaciones electroquímicas. Adv. compos. Materia Híbrida. 4, 1082–1091 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Gopal, TS et al. Electrodos compuestos basados en MXene para la detección electroquímica eficiente de glucosa mediante un método no enzimático. Mate. Hoy Química. 24, 100891. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2022.100891 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Wong, KY, Gan, SN, Teh, GB & Sin, SL Síntesis y caracterización de nanocompuestos de poliuretano a base de aceite de ricino. macromol. Síntoma 382, 1700073. https://doi.org/10.1002/masy.201700073 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Bhute, MV & Kondawar, SB Membrana de electrolito polimérico de poli(fluoruro de vinilideno)/acetato de celulosa/nanofibras de AgTiO2 electrohilado para batería de iones de litio. Ion de estado sólido. 333, 38–44 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Awasti, GP et al. Síntesis, caracterizaciones y evaluación de biocompatibilidad de fibras electrohiladas de policaprolactona-MXene. Surf de coloides. Una Fisicoquímica. Ing. Áspid. 586, 124282. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124282 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Liu, H., Xu, J., Guo, B. & He, X. Preparación y rendimiento del separador compuesto de sílice/polipropileno para baterías de iones de litio. J.Mater. ciencia 49, 6961–6966 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Li, X. et al. Mxene química, electroquímica y aplicaciones de almacenamiento de energía. Nat. Rev. Chem. 6, 389–404 (2022).

Artículo Google Académico

Li, X. et al. Hacia un ánodo de polvo de Zn práctico: Ti3C2Tx Mxene como redistribuidor de electrones/iones de combinación de celosía. ACS Nano 15, 14631–14642 (2021).

Artículo PubMed CAS Google Académico

Li, X. Coincidencia de celosía y regulación de halógeno para electrodeposición de zinc uniforme inducida sinérgicamente por Ti3C2 halogenado. ACS Nano 16, 813–822 (2022).

Artículo PubMed Google Académico

Yang, L.-Y., Cao, J.-H., Cai, B.-R., Liang, T. y Wu, D.-Y. Separador compuesto MOF/PAN electrospun con rendimiento electroquímico superior para baterías de litio de alta densidad de energía. Electrochim. Acta 382, 138346. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138346 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Liu, X. et al. Separadores electrospun PU@GO para baterías de iones de litio avanzadas. J. Miembro ciencia 555, 1–6. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.03.027 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Dueramae, I., Okhawilai, M., Kasemsiri, P., Uyama, H. & Kita, R. Mejora de las propiedades de la carboximetilcelulosa con polímero termosensible como electrolito de polímero sólido para baterías de iones de zinc. ciencia Rep. 10, 12587. https://doi.org/10.1038/s41598-020-69521-x (2020).

Artículo ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Dueramae, I., Okhawilai, M., Kasemsiri, P. & Uyama, H. Alto rendimiento electroquímico y mecánico de electrolitos de polímero de gel a base de zinc conductor. ciencia Rep. 11, 13268. https://doi.org/10.1038/s41598-021-92671-5 (2021).

Artículo ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Cao, J. et al. Nanoláminas enriquecidas con defecto de oxígeno (NH4)2V10O25⋅8H2O para baterías de iones de zinc acuosas superiores. Nanoenergía. 84, 105876 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Meng, F., Gao, J., Zhang, M., Li, D. y Liu, X. Rendimiento de seguridad mejorado de las baterías de iones de litio para automóviles con separador no tejido recubierto con Al2O3. Masa. Supercápsulas. 4, 146–151 (2020).

Artículo Google Académico

Dang, W. et al. Transformación estructural de fibras de poliacrilonitrilo (PAN) durante el pretratamiento térmico rápido en atmósfera de nitrógeno. Polímeros (Basilea) 12(1), 63. https://doi.org/10.3390/polym12010063 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Lee, KI, Li, J., Fei, B. & Xin, JH Estudio del mecanismo de estabilización térmica de nanofibras de poliacrilonitrilo contra la hidrólisis alcalina. polim. degradar Puñalada. 105, 80–85 (2014).

Artículo CAS Google Académico

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Este proyecto de investigación cuenta con el apoyo del Second Century Fund (C2F), la Universidad de Chulalongkorn, el Consejo Nacional de Investigación de Tailandia (NRCT) N42A650201, la NSRF a través de la Unidad de Gestión de Programas para Recursos Humanos y Desarrollo Institucional, Investigación e Innovación (B16F640166, B05F640153), Fondo de Innovación e Investigación Científica de Tailandia Universidad de Chulalongkorn (BCG66620034) Universidad de Chulalongkorn, Tailandia. También se reconoce a la Dirección de Planificación y Política Energética del Ministerio de Energía.

Programa interdisciplinario de nanociencia y tecnología, Escuela de posgrado, Universidad de Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

Chutiwat Likitaporn

Instituto de Investigación de Ciencia de Materiales y Metalurgia, Universidad de Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

Manunya Okhawilai, Jiaqian Qin y Pranut Potiyaraj

Centro de excelencia en materiales portátiles receptivos, Universidad de Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

Manunya Okhawilai, Jiaqian Qin y Pranut Potiyaraj

Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Centro de Investigación y Desarrollo de Infraestructura Sostenible, Universidad de Khon Kaen, Khon Kaen, 40002, Tailandia

Pornnapa Kasemsiri

Departamento de Ciencia de los Materiales, Facultad de Ciencias, Universidad de Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

pranutpotiyaraj

Departamento de Química Aplicada, Escuela de Graduados en Ingeniería, Universidad de Osaka, Osaka, 565-0871, Japón

hiroshi uyama

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CL realizó el experimento y preparó el borrador del manuscrito. MO supervisado diseñó el proyecto y editó el manuscrito final. PK discutió los resultados, JQ consultó los resultados. El PP consultó los resultados. Manuscrito editado por HU.

Correspondencia a Manunya Okhawilai.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Likitaporn, C., Okhawilai, M., Kasemsiri, P. et al. Alta absorción de electrolitos de los separadores de membrana integrados MXene para baterías de iones de Zn. Informe científico 12, 19915 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24578-8

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Recibido: 03 Octubre 2022

Aceptado: 17 de noviembre de 2022

Publicado: 19 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24578-8

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