Investigadores de la Universidad Estatal de Boise han desarrollado una formulación de tinta de MXene Ti3C2Tx optimizada para la impresión por chorro de aerosol, un avance que allana el camino hacia la fabricación escalable de micro-supercapacitores, sensores y otros dispositivos de almacenamiento y aprovechamiento energético. Este trabajo, publicado recientemente en Small Methods, representa un avance significativo en la fabricación aditiva de materiales bidimensionales (2D) para aplicaciones de almacenamiento de energía.
Los MXenes, una familia de carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición en dos dimensiones, son valorados por sus excepcionales propiedades físicas y químicas. Han surgido como materiales prometedores para electrodos en aplicaciones de almacenamiento electroquímico debido a su estructura única, que combina una capa conductora de carburo de metal de transición, grupos funcionales hidrofílicos variables y una estructura laminar.
A pesar de los avances en el procesamiento de soluciones de materiales 2D, el desarrollo de tintas funcionales adecuadas y imprimibles sigue siendo un desafío. Aunque los MXenes pueden dispersarse fácilmente en agua, estas dispersiones son altamente susceptibles a la oxidación y suelen degradarse en unos pocos días a temperatura ambiente. Además, cada técnica de impresión requiere propiedades fluidas y reológicas específicas.
Por lo tanto, existe una falta de tintas de MXene estables y libres de aditivos que ofrezcan tanto una larga vida útil como las características reológicas y de secado necesarias para la fabricación de dispositivos de alto rendimiento y alta resolución.
Innovación en la formulación de tintas MXene
El equipo de investigación de Boise State superó desafíos clave al desarrollar una tinta de MXene con estabilidad química y física a largo plazo, lo que permite una impresión por chorro de aerosol consistente y la creación de patrones de alta resolución con un mínimo de sobrepulverización. Utilizando esta formulación, el equipo fabricó con éxito dispositivos de supercapacitores a microescala directamente sobre sustratos flexibles e inflexibles como películas de Kapton y tubos de alúmina.
Estos dispositivos impresos no solo demostraron una excelente capacitancia, estabilidad cíclica y durabilidad mecánica, sino que también alcanzaron el rendimiento más alto de supercapacitores MXene impresos reportados hasta la fecha. Este avance destaca el potencial transformador de la impresión por chorro de aerosol con tintas de MXene para la producción a demanda, escalable y rentable de dispositivos electrónicos y electroquímicos de próxima generación, incluidos wearables, sensores IoT y sistemas de energía livianos.
“Nuestra formulación de tinta permite la impresión precisa de estructuras complejas y se mantiene estable durante más de seis meses”, afirmó Fereshteh Rajabi Kouchi, autora principal y investigadora doctoral en la Escuela de Ciencia de Materiales Micron. “Este avance abre la puerta a la producción sostenible y continua de dispositivos energéticos miniaturizados”. El equipo demostró diseños de electrodos interdigitados con resolución a nivel micrón, alcanzable gracias a la capacidad única de la impresión por chorro de aerosol para enfocar corrientes finas de material.
La tinta de MXene desarrollada logra impresiones de alta resolución (líneas de aproximadamente 45 µm de ancho) con un mínimo de sobrepulverización. El supercapacitor impreso de alta resolución alcanza una capacitancia areal de 122 mF cm-2 y una capacitancia volumétrica de 611 F cm-3, situándolos entre los supercapacitores impresos de mejor rendimiento reportados hasta ahora.
Los supercapacitores son dispositivos de almacenamiento de energía que vinculan la densidad de potencia y la densidad de energía entre los capacitores regulares y las baterías, ofreciendo alta potencia y ciclos de carga-descarga rápidos. El mercado de supercapacitores está creciendo rápidamente, con un CAGR proyectado del 15,3%, y se espera que alcance los 8,3 mil millones de dólares para 2034, impulsado por la demanda en sectores como la automoción, la electrónica de consumo y las energías renovables. Los supercapacitores impresos están ganando terreno debido a sus diseños livianos y flexibles, lo que permite una integración sin problemas en dispositivos portátiles y aplicaciones electrónicas emergentes.
“El trabajo de Fereshteh refleja un paso importante en la unión de la química de materiales y la fabricación de dispositivos escalables”, afirmó el profesor David Estrada, autor senior del estudio. “Al abordar tanto la formulación de la tinta como la integración del proceso, nuestro equipo ha sentado las bases para aplicaciones industriales de almacenamiento de energía basado en MXene.”
