Dopaje MXene para mejorar el rendimiento de encendido y combustión

Dopaje MXene para mejorar el rendimiento de encendido y combustión


Las nanotermitas son un nuevo reino de materiales nanoenergéticos y se utilizan en sistemas que requieren una tasa rápida de liberación de energía a una temperatura de ignición baja. Sin embargo, los métodos de encendido convencionales se basan en puntos calientes, lo que significa que existe el riesgo de un encendido no deseado.

Dopaje MXene para mejorar el rendimiento de encendido y combustión

​​​​​​​​​​​​​Estudio: dopaje de Al/CuO con Ti3C2 MXene que absorbe microondas para mejorar el rendimiento de la ignición y la combustión. Crédito: taffpixture/Shutterstock.com

Aunque los sistemas de ignición basados ​​en microondas (MW) interactúan con la termita (material inflamable), la presencia de óxido de aluminio protector (Al2O3) sobre aluminio (Al) limita la sensibilidad de las termitas a los MW y requiere radiación de MW con alta potencia de ignición y tiempos de retardo de ignición prolongados.

En un estudio reciente publicado en el Chemical Engineering Journal, el carburo de titanio (Ti3C2) MXene se ha introducido como susceptores de MW en nanocompuestos energéticos de Al/óxido de cobre (CuO). La integración de MXene en nanocompuestos de Al/CuO redujo la potencia requerida para la ignición de MW y acortó el retraso de la ignición en comparación con la nanotermita de Al/CuO original.

Además, la introducción de MXene controló la producción de gas, la liberación de calor y el rendimiento de la combustión del compuesto Al/CuO/MXene, ampliando la seguridad, adaptabilidad y flexibilidad de las nanotermitas de Al/CuO/MXene.

Nanotermita y MXene

Los compuestos intermoleculares metaestables (MIC) tienen propiedades de combustión favorables y alta densidad de energía. Los MIC son nanotermitas con bajas temperaturas de ignición y una rápida tasa de liberación de energía. Estas propiedades son importantes para las aplicaciones de los MIC en cargas explosivas, sistemas microelectromecánicos energéticos, propulsores y muchos otros.

Las nanotermitas se encienden por la formación de un punto de acceso (irradiación láser o descarga electrostática) y el bajo requerimiento de energía para activar las nanotermitas presenta el riesgo de una activación no deseada o accidental de los sistemas. Para ello, la radiación MW permite la activación segura, selectiva y sin contacto de las nanotermitas. La principal ventaja de la radiación MW es la activación segura de nanotermitas al interactuar con toda la superficie en lugar de puntos específicos o puntos calientes. Además, la producción de energía se puede modular ajustando la radiación de MW.

MXene es un material bidimensional (2D) obtenido por grabado selectivo del elemento «A» de la fase MAX con fórmula general Mn+1HACHAnortedonde M se atribuye a los primeros metales de transición, A es esencialmente un grupo de 13 o 14 elementos y X representa carbono y/o nitrógeno.

La combinación de la conductividad metálica de los carburos de metales de transición con la naturaleza hidrofílica de la superficie terminada en oxígeno o hidroxilo en MXene da como resultado propiedades y morfologías únicas. Además, la cantidad de estructuras en capas de MXene es controlable, lo que permite la dispersión de ondas electromagnéticas y múltiples reflejos de materiales a la radiación MW.

MXene tiene una alta conductividad que permite la polarización y las pérdidas dieléctricas. Además, la creación de grupos funcionales o defectos superficiales durante el proceso de grabado crea dipolos en MXene en un campo electromagnético, lo que aumenta la capacidad de pérdida dieléctrica.

Integración de Ti3C2 MXene en Nanothermites para mejorar el rendimiento de encendido y combustión

En el presente trabajo Ti3C2 Los MXenes se introdujeron por primera vez como material susceptor de MW al incorporarse en nanotermitas de Al/CuO para mejorar la capacidad de absorción de MW del compuesto de Al/CuO/MXene resultante.

Compuestos con diferente Ti3C2 El contenido de MXene se midió para su respectivo retardo de encendido de MW y los requisitos mínimos de potencia de MW utilizando un encendedor de sonda de MW personalizado. Además, se han utilizado métodos analíticos como el microscopio electrónico de emisión de campo (FESEM), el microscopio electrónico de transmisión (TEM), la espectroscopia de dispersión de energía (EDS), la tomografía microcomputarizada de rayos X (μCT) y el difractómetro de rayos X (XRD) para analizar la distribución y morfología de compuestos Al/CuO/MXene.

Las imágenes FESEM de Ti3C2 MXene mostró la distribución uniforme de los tres componentes y apareció como una estructura similar a un acordeón. La capa de alúmina más externa de las nanopartículas de aluminio en los compuestos Al/CuO/MXene tenía un grosor de aproximadamente 4 nanómetros, como se ve en las imágenes FESEM.

Los espectros EDS mostraron que los elementos más comunes en Ti3C2 Los MX eran titanio (Ti) y carbono (C), y la presencia de residuos de flúor (F) y cloro (Cl) se debió al grabado de la fase MAX con ácido clorhídrico (HCl) y ácido fluorhídrico (HF). Las imágenes TEM de los compuestos Al/CuO/MXene mostraron que las nanopartículas de Al y CuO se distribuyeron uniformemente alrededor y entre las capas de Ti3C2 MXene.

Además, la investigación de la temperatura de ignición, los tiempos de retardo de ignición, la liberación de calor y el comportamiento de combustión de los nanocompuestos producidos mostraron el efecto de Ti3C2 MXene sobre la ignición y combustión del nuevo compuesto Al/CuO/MXene.

Conclusión

En general, el concepto de introducir Ti3C2 MXene como susceptor de PM en nanotermitas de Al/CuO se demostró por primera vez en el presente trabajo. Tiempo de retardo de ignición y rendimiento de nanotermitas de Al/CuO con diferentes Ti3C2 El contenido de MXene se examinó bajo estimulación MW. Las imágenes TEM mostraron la distribución uniforme de Ti3C2 MXene en las nanotermitas de Al/CuO obtenidas mediante agitación magnética y dispersión ultrasónica.

El contenido optimizado de Ti3C2 El MXene en el compuesto Al/CuO/MXene fue del 2,5 % en peso, mientras que el tiempo de retardo de la ignición y la potencia en MW para este contenido optimizado fueron de 3,87 segundos y 13 vatios, respectivamente. Además, el efecto óptimo se logró al 1% en peso de Ti3C2 dopaje MXene. El termograma de calorimetría diferencial de barrido (DSC) del compuesto Al/CuO/MXene mostró que la presencia de Ti3C2 MXene alteró significativamente el comportamiento térmico de las nanotermitas de Al/CuO.

Relación

Cheng J, Zhang Z, Wang Y, Li F, Cao J, Gozin M, Ye Y et al. (2022) Dopaje de Al/CuO con Ti absorbente de microondas3C2 MXene para mejorar el rendimiento de encendido y combustión. Revista de Ingeniería de Procesos. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472203858X?via%3Dihub

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