Condensadores, catalizadores y revestimientos: los MXenos impulsan las innovaciones industriales

Los MXenos, una familia de carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición bidimensionales, han surgido como materiales transformadores desde su descubrimiento en 2011. Los MXenos poseen una combinación poco común de propiedades que los distinguen de otros materiales 2D: conductividad metálica junto con hidrofilia, procesabilidad en solución a temperatura ambiente y química de superficie ajustable. Ofrecen conductividad eléctrica como los metales, flexibilidad mecánica como los polímeros y superficies hidrofílicas que pueden ajustarse químicamente. Pocos materiales proporcionan este nivel de multifuncionalidad, razón por la cual los MXenos han ganado tanta atención investigadora en poco más de una década.

Los MXenos se caracterizan por la fórmula general M_n+1X_nT_x donde M representa metales de transición, X denota carbono o nitrógeno, n = 1-3, y Tx indica terminaciones superficiales tales como -O, -OH, -F o -Cl. Ya existen más de 30 composiciones de MXeno conocidas, y las predicciones computacionales sugieren que son posibles miles más. Los investigadores pueden modificar sus terminaciones superficiales para ajustar la conductividad, la estabilidad, la actividad catalítica y las propiedades de transporte iónico. Esta capacidad de ajuste confiere a los MXenos una enorme ventaja de diseño sobre otros materiales 2D, como el grafeno o los dicalcogenuros de metales de transición, y los posiciona como candidatos potentes para tecnologías personalizadas y específicas para cada tarea.

Por ejemplo, los MXenos pueden dispersarse en agua, modificarse con diversos grupos superficiales e integrarse en compuestos mediante una simple mezcla, lo que los hace excepcionalmente accesibles para aplicaciones multifuncionales que abarcan el almacenamiento de energía, la catálisis, la electrónica y la remediación medioambiental. Analizamos la CAS Content CollectionTM^TM, el mayor repositorio de información científica catalogado por expertos humanos, para comprender mejor cómo se están utilizando estos materiales en diversas industrias y aplicaciones. Descubrimos que las publicaciones en revistas y patentes mostraron un crecimiento significativo en la última década (2015-2026), representando las patentes el 22 % de las publicaciones (véase la Figura 1):

Figura 1: Número de publicaciones en revistas y patentes sobre MXenos. El recuadro muestra el porcentaje de participación de revistas y patentes. *Los datos de 2026 son parciales hasta enero. Fuente: CAS Content Collection.

[H2]: Las aplicaciones de los MXenos abarcan la transición energética, los dispositivos biomédicos y más

¿Cómo están pasando los MXenos del laboratorio al uso común? Para responder a esa pregunta, analizamos la aparición de MXenos en el CAS Lexicon, una función de búsqueda especializada dentro de CAS SciFinderⓇ, para identificar conceptos en las publicaciones. Estos conceptos pueden incluir aplicaciones, propiedades, clases de sustancias y métodos de síntesis. Comenzamos identificando conceptos de aplicación para los MXenos y agrupándolos en áreas de aplicación más amplias (véase la Figura 2).

Figura 2: Aplicaciones de los MXenos identificadas a partir de conceptos del léxico de CAS. Los nodos de nivel 1 presentan las aplicaciones y el número de publicaciones. Los nodos de nivel 2 muestran los conceptos agrupados bajo las aplicaciones. Su tamaño es proporcional al número de publicaciones. Los nodos están codificados por colores según el porcentaje de patentes. Fuente: CAS Content Collection.

[Breaker]: Para los investigadores que se inician en la búsqueda conceptual o aquellos que desean perfeccionar sus estrategias de búsqueda, CAS ofrece vídeos de formación que cubren flujos de trabajo básicos, incluidas las consultas basadas en estructuras, la búsqueda de reacciones y el refinamiento de resultados mediante datos de propiedades. 

El almacenamiento de energía es la aplicación más investigada debido al papel de los MXenos en los ánodos de baterías y supercondensadores, lo que refleja su excepcional capacitancia volumétrica y sus excelentes capacidades de tasa. Cabe destacar que la tecnología ha evolucionado más allá de los sistemas tradicionales de iones de litio para incluir baterías de iones de sodio, litio-azufre y las emergentes de iones de zinc.

La combinación única de conductividad metálica y procesabilidad de los MXenos los hace ideales para el blindaje electromagnético de próxima generación en aplicaciones de electrónica, telecomunicaciones y aeroespacial. Las aplicaciones de catálisis abarcan catalizadores electroquímicos, fotocatalizadores y catalizadores especializados para la reacción de evolución de hidrógeno. Esta diversidad subraya la química de superficies ajustable de los MXenos y su eficacia como catalizadores independientes y soportes conductores para especies activas.

Varias aplicaciones presentan proporciones de patentes frente a revistas excepcionalmente altas. Los revestimientos lideran con un 48% de cobertura de patentes, particularmente los revestimientos anticorrosivos y los materiales de revestimiento generales. Las propiedades de barrera, la flexibilidad mecánica y la multifuncionalidad de los MXenos impulsan su aplicación en revestimientos. Los textiles mejorados con MXenos (43% de patentes) ofrecen propiedades integradas de detección, calefacción y antibacterianas, mientras que las membranas basadas en MXenos (39% de patentes) destacan en aplicaciones de desalinización y purificación de agua. Las aplicaciones ignífugas (37% de patentes) se benefician de la estabilidad térmica y los efectos de barrera de los MXenos.

Los sensores representan un campo en rápido crecimiento con diversas implementaciones, incluidos los biosensores, los sensores de gas y sensores vestibles. La moderada intensidad de patentes sugiere un mercado en una etapa temprana, aunque los sensores de presión y deformación muestran una mayor actividad comercial. Las aplicaciones biomédicas abarcan agentes antibacterianos, terapia fototérmica y cicatrización de heridas. La alta cobertura de patentes para agentes fototérmicos (26%) indica un fuerte interés comercial en aplicaciones para el tratamiento del cáncer. 

[H2]: El papel de los MXenos en el panorama de la investigación

A las sustancias individuales y a los "Conceptos" de clases de sustancias indexados en la CAS Content Collection se les asignan "Roles" basados en la naturaleza de los estudios que involucran a la sustancia indexada. Utilizamos estos roles indexados por CAS para comprender el tipo exacto de estudios que involucran a los MXenos (ver Figura 3). 

Figura 3: Análisis de la naturaleza de los estudios que utilizan MXenos basado en los "Roles" asignados por CAS. Los nodos de nivel 1 muestran los "Roles" predominantes y el número de publicaciones. Los nodos de nivel 2 muestran los "Conceptos" del léxico de CAS relevantes en las publicaciones donde los MXenos desempeñan los "Roles" especificados.

Este análisis revela los roles multifacéticos que desempeñan los MXenos, que abarcan desde la caracterización fundamental de propiedades hasta aplicaciones técnicas avanzadas. Al aprovechar aún más los "Conceptos" del léxico de CAS, identificamos detalles más específicos de los "Roles" más destacados asociados con los MXenos:

• Materiales técnicos y de ingeniería: Los MXenos sirven principalmente como materiales activos, siendo los compuestos la categoría de aplicación más amplia. Los investigadores incorporan ampliamente los MXenos en nanocompuestos y películas, aprovechando su estructura bidimensional para crear materiales multifuncionales. El enfoque significativo en materiales nanoestructurados y heterouniones semiconductoras destaca el papel de los MXenos en la electrónica y optoelectrónica de próxima generación. Cabe destacar que los blindajes electromagnéticos y los sistemas de almacenamiento de energía representan las principales aplicaciones técnicas, mientras que la investigación sobre aerogeles demuestra el interés en arquitecturas de MXeno tridimensionales para aplicaciones ligeras de alto rendimiento.

• Propiedades: Comprender las propiedades de los MXenos sigue siendo una prioridad de investigación fundamental, ya que las terminaciones superficiales y la morfología son críticas para determinar el rendimiento de los MXenos. La conductividad eléctrica y el área superficial representan características fundamentales que permiten el éxito de los MXenos en el almacenamiento de energía y la catálisis. El énfasis en la microestructura, las propiedades electroquímicas y la impedancia refleja la importancia del material en las aplicaciones electroquímicas. Los estudios sobre la transferencia de electrones, la adsorción y la energía de enlace proporcionan conocimientos mecanísticos cruciales para el diseño racional de materiales. El enfoque en la densidad de corriente y la distribución del tamaño de los poros se relaciona con la optimización del rendimiento en baterías, supercondensadores y sistemas catalíticos.

• Nanomateriales: Los MXenos existen predominantemente como nanoláminas, lo que refleja su naturaleza bidimensional inherente tras la delaminación de las fases MAX. La investigación sustancial sobre nanocompuestos basados en MXenos demuestra estrategias para combinar MXenos con materiales complementarios para mejorar la funcionalidad. Los estudios sobre materiales nanoestructurados indican esfuerzos para crear arquitecturas jerárquicas más allá de las simples nanoláminas.

• Preparación sintética: El grabado sigue siendo el enfoque de síntesis dominante. Esto implica principalmente la eliminación selectiva de capas A de las fases MAX utilizando HF o in-situ métodos de HF. La presencia de la reacción hidrotérmica como método de síntesis refleja los esfuerzos continuos para desarrollar rutas de síntesis alternativas, potencialmente más seguras y más respetuosas con el medioambiente, aunque esto representa una fracción menor en comparación con las técnicas de grabado convencionales.

• Procesos físicos y de ingeniería: Los MXenos se someten a diversos procesos con almacenamiento de energía, destacando su papel en los mecanismos de almacenamiento de carga dentro de baterías y supercondensadores a través de la intercalación de iones y reacciones redox superficiales.

• Modificador y aditivo: Más allá de servir como materiales activos primarios, los MXenos funcionan eficazmente como modificadores, particularmente en blindajes electromagnéticos y nanocompuestos. Su incorporación en hidrogeles expande las aplicaciones hacia los dominios de los materiales biomédicos y blandos. La investigación significativa sobre materiales resistentes al fuego y agentes ignífugos demuestra las capacidades protectoras de los MXenos, aprovechando su estabilidad térmica y sus propiedades de barrera.

• Catalizador: La reacción de evolución de hidrógeno representa una aplicación catalítica importante, posicionando a los MXenos como materiales prometedores para tecnologías sostenibles de producción de hidrógeno y tecnologías de división del agua.

La prevalencia de materiales compuestos como nanocompuestos, hidrogeles, aerogeles, películas y materiales nanoestructurados pone de relieve las ventajas y limitaciones de los MXenos. Los MXenos destacan como potenciadores multifuncionales, pero requieren arquitecturas compuestas para un rendimiento óptimo. Su conductividad metálica, hidrofilia y procesabilidad en solución permiten una integración perfecta en diversas matrices (polímeros, óxidos, carbonos) que abordan las limitaciones comunes de los MXenos, como la fragilidad mecánica y la susceptibilidad a la oxidación. La inclusión de MXenos en estas matrices aprovecha sus propiedades únicas, inexistentes en los materiales convencionales, mediante combinaciones sinérgicas.

[H2]: Las sustancias MXeno más prevalentes

Como se ha señalado, existen actualmente más de 30 composiciones de MXeno conocidas, con la posibilidad de cientos más. Examinamos el porcentaje de patentes de las 30 más comunes y descubrimos que el carburo de titanio (Ti₃C₂) domina abrumadoramente la investigación sobre MXenos (véase la Figura 4).

Figura 4: Los 30 MXenos más prevalentes y la distribución de patentes y publicaciones en revistas. Fuente: CAS Content Collection.

La concentración de patentes con carburo de titanio refleja la síntesis accesible de Ti₃C₂ a partir de Ti₃AlC₂, su excelente conductividad y sus aplicaciones versátiles. Más allá del Ti₃C₂, la investigación se diversifica hacia carburos de metales de transición tempranos con intensidades de patente drásticamente mayores: Ti₂C, V₂C y Nb₂C muestran un fuerte interés comercial a pesar de los menores volúmenes de publicación. 

Los MXenos de orden superior como Ta₄C₃ y el carburo de niobio y titanio (NbTiC) presentan ratios de patentes por publicación excepcionales, lo que indica innovaciones en fase inicial pero de alto valor. Cabe destacar que las variantes de Ti₃C₂ con terminación superficial —incluidas las formas de óxido, hidróxido, fluoruro y cloruro— representan colectivamente una investigación sustancial con una cobertura de patentes variable. Los MXenos con terminación de óxido muestran sistemáticamente una actividad de patentes mínima (0-2%), lo que posiblemente indique un enfoque en la investigación fundamental, mientras que los MXenos de carbonitruro y multimetálicos demuestran un mayor interés comercial, lo que pone de relieve su potencial para el ajuste de propiedades mediante la ingeniería de composición.

[H2]: Comprensión de tipos específicos de MXenos

Las sustancias individuales de MXeno están indexadas en el CAS REGISTRY® e incluyen información detallada como nombres de sustancias, números CAS, fórmulas moleculares y "Roles", como se ha comentado anteriormente. Identificamos tipos específicos de MXenos en el CAS Registry y los clasificamos según parámetros clave para obtener una mejor comprensión de los diversos tipos:

[H3]: MXenos clasificados por estequiometría

La estequiometría de los MXenos influye significativamente en el enfoque de la aplicación, como se evidencia en la distribución de las publicaciones (ver Figura 5). M₃X₂(n=2) domina la bibliografía, lo que refleja su estabilidad superior y facilidad de síntesis en comparación con M₂X(n=1) y M₄X₃(n=3), y mostró el mayor crecimiento en los últimos tres años.

Figura 5: MXenos agrupados por su estequiometría. (A) Número de publicaciones y porcentaje de patentes; (B) Tendencias de publicación; (C) Distribución de los grupos individuales de MXenos en aplicaciones. Fuente: CAS Content Collection.

El almacenamiento de energía lidera todas las estequiometrías, pero muestra una preferencia variable según el grosor de las capas individuales de MXeno: M₂X, M₄X₃ y M₃X₂. Los MXenos más gruesos (M₄X₃) proporcionan más galerías interlaminares para la intercalación de iones, lo que mejora la capacidad de la batería. Por el contrario, el mayor enfoque de M₂X en el almacenamiento de energía refleja menos aplicaciones competitivas.

La catálisis favorece a M₂X sobre M₃X₂ y M₄X₃, ya que las estructuras más delgadas ofrecen mayores relaciones superficie-volumen y más sitios de borde activos expuestos para reacciones catalíticas. La mayor superficie de M₂X facilita la transferencia de electrones y la accesibilidad de los reactivos. El blindaje electromagnético favorece fuertemente a M₃X₂ (11%) debido a un equilibrio óptimo entre conductividad y procesabilidad. La menor representación de M₂X sugiere una eficacia de blindaje insuficiente en estructuras de una sola capa.

La fuerza distintiva de M₄X₃ en los revestimientos proviene de sus propiedades mecánicas superiores y su grosor, lo que proporciona una mejor protección de barrera. La escasez de publicaciones sobre M₄X₃ refleja la dificultad de su síntesis, que requiere un control preciso del grabado de la fase MAX. El alto porcentaje de patentes en M₄X₃ puede atribuirse a su uso en aplicaciones con gran cantidad de patentes, como el almacenamiento de energía, los revestimientos y las membranas.

[H3]: MXenos clasificados por metales de transición

Los MXenos basados en titanio dominan abrumadoramente el campo, principalmente debido a la síntesis accesible de Ti₃C₂Tₓ a partir de fases MAX de Ti₃AlC₂ disponibles comercialmente, su excelente estabilidad y sus propiedades bien caracterizadas. Los MXenos de Ti muestran una distribución equilibrada de aplicaciones, sirviendo como el "caballo de batalla" versátil en todos los campos (ver Figura 6). 

Figura 6: MXenos agrupados por sus metales de transición. (A) Número de publicaciones y porcentaje de patentes; (B) Tendencias de publicación; (C) Distribución de los grupos individuales de MXenos en aplicaciones. Fuente: CAS Content Collection.

La actividad catalítica guarda una fuerte correlación con la identidad del metal. Los MXenos de Mo y W exhiben un enfoque catalítico excepcional, atribuido a sus energías de enlace de hidrógeno óptimas y a sus múltiples estados de oxidación que favorecen las reacciones de evolución de hidrógeno. Los MXenos de metal doble Mo-Ti logran la mayor representación catalítica, demostrando efectos sinérgicos al combinar metales con diferentes estructuras electrónicas.

Las preferencias de almacenamiento de energía varían sistemáticamente: los MXenos de V (60%) y Sc (57%) muestran el mayor enfoque, lo que refleja sus múltiples estados de oxidación accesibles que permiten el almacenamiento de carga pseudocapacitiva. Los metales del grupo V (V, Nb, Ta) muestran sistemáticamente un enfoque de almacenamiento de energía del 49-60% debido a su favorable actividad redox y sus propiedades de intercalación iónica.

Los metales de transición tempranos (Sc, Y, Zr, Hf) reciben menos atención debido a la dificultad de la síntesis de la fase MAX y a su mayor reactividad. Sin embargo, los MXenos de Hf y Zr muestran fuertes aplicaciones catalíticas que se benefician de sus altas funciones de trabajo y estructuras electrónicas únicas. La escasez de publicaciones sobre W e Y refleja la dificultad de síntesis y la disponibilidad limitada de precursores de fase MAX, a pesar de su prometedor rendimiento catalítico.

[H3]: MXenos clasificados por aniones

La investigación sobre MXenos está dominada abrumadoramente por composiciones basadas en carburos (97% de las publicaciones), mientras que los nitruros y carbonitruros siguen estando relativamente poco explorados. Esta disparidad refleja la accesibilidad sintética de los MXenos de carburo, particularmente el Ti₃C₂Tₓ, que se forma fácilmente mediante el grabado selectivo de fases MAX. Los carburos y nitruros muestran un alto crecimiento en los últimos tres años (ver Figura 7).

Figura 7: MXenos agrupados por sus aniones. (A) Número de publicaciones y porcentaje de patentes; (B) Tendencias de publicación; (C) Distribución de los grupos individuales de MXenos en aplicaciones. Fuente: CAS Content Collection.

Los patrones de aplicación revelan preferencias distintas dependientes de los aniones. El almacenamiento de energía domina en todos los tipos, siendo los nitruros los que muestran el mayor enfoque, probablemente debido a su conductividad electrónica superior y a una cinética de difusión de iones de litio mejorada en comparación con los carburos. Los MXenos de nitruro también demuestran una actividad catalítica excepcional, atribuida a su posicionamiento óptimo del centro de la banda d y a las modificaciones electrónicas inducidas por el nitrógeno que mejoran la reactividad superficial.  

Los carbonitruros ocupan un punto intermedio único, mostrando un rendimiento equilibrado en el almacenamiento de energía y el blindaje electromagnético. Los MXenes de carburo exhiben la mayor diversidad de aplicaciones, incluida una representación significativa en sensores, blindaje electromagnético y aplicaciones biomédicas, lo que refleja su versátil química de superficies, hidrofilia y protocolos de funcionalización establecidos. La limitada investigación sobre nitruros sugiere un potencial sustancial sin explotar en aplicaciones emergentes.

[H3]: MXenes clasificados por terminaciones superficiales

Las terminaciones superficiales en los MXenes son grupos funcionales que se unen a la superficie del metal de transición durante el grabado de las fases MAX. Estos influyen de manera crítica en las propiedades de los MXenes y en su idoneidad para diversas aplicaciones, como lo demuestran los distintos patrones de investigación (ver Figura 8). 

Figura 8: MXenes agrupados por sus terminaciones superficiales. (A) Número de publicaciones y porcentaje de patentes; (B) Tendencias de publicación; (C) Distribución de los grupos individuales de MXenes en aplicaciones. Fuente: CAS Content Collection.

Los MXenes terminados en oxígeno dominan la bibliografía y demuestran la mayor actividad catalítica entre todas las terminaciones. Esto refleja la capacidad del oxígeno para crear sitios redox activos y energías de enlace óptimas para los intermediarios de reacción, lo cual es particularmente beneficioso para la electrocatálisis y la fotocatálisis.  

Las terminaciones de flúor muestran una mayor estabilidad electroquímica y características hidrofóbicas, lo que las hace preferibles para el almacenamiento de energía donde la estabilidad del ciclo es crucial. Los fuertes enlaces C-F resisten la oxidación y prolongan la vida útil operativa. Los grupos hidroxilo confieren una hidrofilia y una procesabilidad en solución superiores, lo que permite diversas aplicaciones en sensores y remediación. Su capacidad de enlace de hidrógeno facilita el control del espaciado interlaminar y el anclaje de moléculas funcionales.  

Cabe destacar que las terminaciones de cloro y azufre presentan el mayor enfoque en el almacenamiento de energía, atribuido a su menor electronegatividad en comparación con el oxígeno/flúor, lo que mejora la cinética de intercalación de iones y el comportamiento pseudocapacitivo. Sin embargo, sus desafíos sintéticos y su menor estabilidad limitan una exploración más amplia y representan oportunidades significativas para la investigación emergente en sistemas de almacenamiento de energía de alto rendimiento.

[H2]: ¿Qué es lo siguiente en la innovación de MXenos?

Gracias a sus propiedades de alto rendimiento y su capacidad de ajuste única, los MXenos ofrecen un nivel de versatilidad que pocas familias de materiales pueden igualar. Son conductores, flexibles y pueden disolverse en agua, y los investigadores los están utilizando en aplicaciones que van desde componentes para vehículos eléctricos y baterías hasta tintas conductoras y membranas especializadas.

La investigación sobre los MXenos muestra que las sustancias se están diversificando más allá del dominio del Ti₃C₂. Las composiciones emergentes, en particular los MXenos de metal de transición doble, M4X3(n=3), carbonitruro y de terminación alternativa, son cada vez más frecuentes en aplicaciones con gran cantidad de patentes, a pesar del limitado número de publicaciones. Este patrón señala posibles avances comerciales en aplicaciones especializadas, como el blindaje electromagnético, los revestimientos avanzados, los textiles y el almacenamiento de energía de próxima generación. 

El crecimiento futuro probablemente hará hincapié en los métodos de síntesis escalables, las soluciones de estabilidad a largo plazo y la ingeniería de composición específica para cada aplicación, con el fin de trasladar la promesa de laboratorio de los MXenos a la realidad industrial.

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