过渡金属碳化物(通常称为MXenes)具有一系列令人印象深刻的性能，是储能领域正在探索的令人兴奋的纳米材料。MXenes是由几纳米薄的薄片组成的二维材料。
它们出色的机械强度、超高的表面体积比和优异的电化学稳定性使它们成为超级电容器的有希望的候选者——也就是说，只要它们可以排列在三维结构中，其中有足够体积的纳米材料，并且它们的大表面可用于反应。
在加工过程中，MXenes倾向于重新堆叠，损害可及性并阻碍单个薄片的性能，从而减少了它们的一些重要优势。为了克服这一障碍，来自卡内基梅隆大学机械工程系的Rahul Panat和Burak Ozdoganlar以及博士候选人Mert Arslanoglu开发了一种全新的材料系统，将2D MXene纳米片排列成3D结构。
这是通过将MXene渗透到多孔陶瓷支架或骨架中来实现的。采用冷冻铸造技术制备陶瓷骨架，制备出孔径大小和孔径方向性可控的开孔结构。
这项研究发表在《先进材料》杂志上。
机械工程教授Panat解释说:“我们能够将分散在溶剂中的MXene薄片渗透到冻铸多孔陶瓷结构中。”“随着系统的干燥，2D MXene薄片均匀地覆盖在陶瓷互连孔的内部表面，而不会失去任何基本属性。”
正如他们在早期发表的文章中所描述的那样，在他们的冷冻铸造方法中使用的溶剂是一种叫做莰烯的化学物质，它在冷冻时产生树状树突状结构。通过使用不同的溶剂也可以得到其他类型的孔隙分布。
为了测试样品，该团队构建了“三明治型”双电极超级电容器，并将其连接到工作电压为2.5V的LED灯上。超级电容器成功地以比以往任何基于mxene的超级电容器更高的功率密度和能量密度值为光提供动力。
同样是机械工程教授的Ozdoganlar说:“我们不仅展示了一种利用MXene的特殊方法，而且还以一种可复制和可扩展的方式做到了这一点。”“我们的新材料系统可以按所需尺寸批量生产，用于商业设备。我们相信，这将对储能设备产生巨大影响，从而对电动汽车等应用产生巨大影响。”
该材料体系在电池、燃料电池、脱碳系统和催化装置等方面具有深远的潜力，实验结果优异，电导率可通过控制MXene浓度和骨架孔隙度进行精细调节。有一天，我们甚至可以看到MXene超级电容器为我们的电动汽车供电。
帕纳特说:“我们的方法可以应用于其他纳米级材料，比如石墨烯，而且主干可以用陶瓷以外的材料建造，包括聚合物和金属。”“这种结构可以实现广泛的新兴和新颖技术应用。”
