Capacitores, catalisadores e revestimentos: os MXenes impulsionam inovações industriais

MXenes, uma família de carbonetos, nitretos e carbonitretos de metais de transição bidimensionais, surgiram como materiais transformadores desde sua descoberta em 2011. Os MXenes possuem uma combinação rara de propriedades que os distinguem de outros materiais 2D: condutividade metálica combinada com hidrofilicidade, processabilidade em solução à temperatura ambiente e química de superfície ajustável. Eles oferecem condutividade elétrica como metais, flexibilidade mecânica como polímeros e superfícies hidrofílicas que podem ser ajustadas quimicamente. Poucos materiais oferecem esse nível de multifuncionalidade, e é por isso que os MXenes ganharam tanta atenção de pesquisa em pouco mais de uma década.

Os MXenes são caracterizados pela fórmula geral M_n+1X_nT_x onde M representa metais de transição, X denota carbono ou nitrogênio, n = 1-3, e Tx indica terminações de superfície como -O, -OH, -F ou -Cl. Já existem mais de 30 composições de MXene conhecidas, e previsões computacionais sugerem que milhares de outras são possíveis. Os pesquisadores podem modificar suas terminações de superfície para ajustar a condutividade, estabilidade, atividade catalítica e propriedades de transporte de íons. Essa capacidade de ajuste confere aos MXenes uma enorme vantagem de design sobre outros materiais 2D, como grafeno ou dicalcogenetos de metais de transição, e os posiciona como candidatos poderosos para tecnologias personalizadas e específicas para cada tarefa.

Por exemplo, os MXenes podem ser dispersos em água, modificados com diversos grupos de superfície e integrados em compósitos por meio de uma simples mistura, o que os torna acessíveis de forma única para aplicações multifuncionais que abrangem armazenamento de energia, catálise, eletrônica e remediação ambiental. Analisamos a CAS Content Collection^TM, o maior repositório de informações científicas com curadoria humana, para entender melhor como esses materiais estão sendo usados em diversos setores e aplicações. Descobrimos que as publicações em periódicos e patentes apresentaram um crescimento significativo na última década (2015-2026), com as patentes representando 22% das publicações (veja a Figura 1):

Figura 1: Número de publicações em periódicos e patentes sobre MXenes. O gráfico interno mostra a participação percentual de periódicos e patentes. *Os dados de 2026 são parciais até janeiro. Fonte: CAS Content Collection.

[H2]: As aplicações de MXenes abrangem a transição energética, dispositivos biomédicos e muito mais

Como os MXenes estão saindo do laboratório para o uso comum? Para responder a essa pergunta, analisamos a ocorrência de MXenes no CAS Lexicon, uma função de busca especializada dentro do CAS SciFinderⓇ, para identificar conceitos em publicações. Esses conceitos podem incluir aplicações, propriedades, classes de substâncias e métodos de síntese. Começamos identificando conceitos de aplicação para MXenes e agrupando-os em áreas de aplicação mais amplas (veja a Figura 2).

Figura 2: Aplicações de MXenes identificadas a partir de conceitos do Léxico CAS. Os nós de nível 1 apresentam as aplicações e o número de publicações. Os nós de nível 2 mostram os conceitos agrupados sob as aplicações. Seu tamanho é proporcional ao número de publicações. Os nós são codificados por cores de acordo com a porcentagem de patentes. Fonte: CAS Content Collection.

[Breaker]: Para pesquisadores iniciantes em buscas conceituais ou para aqueles que desejam refinar suas estratégias de busca, o CAS oferece vídeos de treinamento que abrangem fluxos de trabalho básicos, incluindo consultas baseadas em estrutura, busca de reações e refinamento de resultados por dados de propriedades. 

O armazenamento de energia é a aplicação mais pesquisada devido ao papel dos MXenes em ânodos de bateria e supercapacitores, o que reflete sua capacitância volumétrica excepcional e excelentes capacidades de taxa. Notavelmente, a tecnologia evoluiu além dos sistemas tradicionais de íons de lítio para incluir baterias de íons de sódio, lítio-enxofre e as emergentes de íons de zinco.

A combinação única de condutividade metálica e processabilidade dos MXenes os torna ideais para a próxima geração de blindagem eletromagnética em eletrônicos, telecomunicações e aplicações aeroespaciais. As aplicações em catálise abrangem catalisadores eletroquímicos, fotocatalisadores e catalisadores especializados para a reação de evolução de hidrogênio. Essa diversidade destaca a química de superfícies ajustável dos MXenes e sua eficácia como catalisadores autônomos e suportes condutores para espécies ativas.

Diversas aplicações apresentam proporções excepcionalmente altas de patentes em relação a periódicos. Os revestimentos lideram com 48% de cobertura de patentes, particularmente revestimentos anticorrosivos e materiais de revestimento em geral. As propriedades de barreira, a flexibilidade mecânica e a multifuncionalidade dos MXenes impulsionam sua aplicação em revestimentos. Têxteis aprimorados com MXene (43% de patentes) oferecem propriedades integradas de detecção, aquecimento e antibacterianas, enquanto membranas à base de MXene (39% de patentes) se destacam em aplicações de dessalinização e purificação de água. Aplicações de proteção contra incêndio (37% de patentes) beneficiam-se da estabilidade térmica e dos efeitos de barreira dos MXenes.

Os sensores representam um campo em rápido crescimento com diversas implementações, incluindo biossensores, sensores de gás e sensores vestíveis. A intensidade moderada de patentes sugere um mercado em estágio inicial, embora sensores de pressão e deformação mostrem maior atividade comercial. As aplicações biomédicas abrangem agentes antibacterianos, terapia fototérmica e cicatrização de feridas. A alta cobertura de patentes para agentes fototérmicos (26%) indica um forte interesse comercial em aplicações de tratamento de câncer. 

[H2]: O papel dos MXenes no cenário de pesquisa

Substâncias individuais e 'Conceitos' de classe de substância indexados na CAS Content Collection recebem 'Papéis' com base na natureza dos estudos que envolvem a substância indexada. Usamos esses papéis indexados pelo CAS para entender o tipo exato de estudos envolvendo os MXenes (veja a Figura 3). 

Figura 3: Análise da natureza dos estudos usando MXenes com base nos 'Papéis' atribuídos pelo CAS. Os nós de nível 1 mostram os 'Papéis' predominantes e o número de publicações. Os nós de nível 2 mostram os 'Conceitos' relevantes do Léxico CAS em publicações onde os MXenes desempenham os 'Papéis' especificados.

Esta análise revela os papéis multifacetados que os MXenes desempenham, abrangendo desde a caracterização fundamental de propriedades até aplicações técnicas avançadas. Ao aproveitar ainda mais os 'Conceitos' do Léxico CAS, identificamos detalhes mais específicos dos 'Papéis' mais proeminentes associados aos MXenes:

• Materiais técnicos e de engenharia: Os MXenes servem predominantemente como materiais ativos, sendo os compósitos a maior categoria de aplicação. Os pesquisadores incorporam extensivamente os MXenes em nanocompósitos e filmes, aproveitando sua estrutura bidimensional para criar materiais multifuncionais. O foco significativo em materiais nanoestruturados e heterojunções semicondutoras destaca o papel dos MXenes na próxima geração de eletrônicos e optoeletrônicos. Notavelmente, blindagens eletromagnéticas e sistemas de armazenamento de energia representam as principais aplicações técnicas, enquanto a pesquisa sobre aerogéis demonstra interesse em arquiteturas tridimensionais de MXene para aplicações leves e de alto desempenho.

• Propriedades: Compreender as propriedades dos MXenes continua sendo uma prioridade de pesquisa, pois as terminações superficiais e a morfologia são críticas para determinar o desempenho do MXene. A condutividade elétrica e a área superficial representam características fundamentais que permitem o sucesso dos MXenes no armazenamento de energia e na catálise. A ênfase na microestrutura, nas propriedades eletroquímicas e na impedância reflete a importância do material em aplicações eletroquímicas. Estudos de transferência de elétrons, adsorção e energia de ligação fornecem insights mecanísticos cruciais para o design racional de materiais. O foco na densidade de corrente e na distribuição do tamanho dos poros está relacionado à otimização do desempenho em baterias, supercapacitores e sistemas catalíticos.

• Nanomateriais: Os MXenes existem predominantemente como nanocamadas, refletindo sua natureza bidimensional inerente após a delaminação das fases MAX. A pesquisa substancial sobre nanocompósitos baseados em MXene demonstra estratégias para combinar MXenes com materiais complementares para aumentar a funcionalidade. Estudos sobre materiais nanoestruturados indicam esforços para criar arquiteturas hierárquicas além de simples nanocamadas.

• Preparação sintética: A corrosão (etching) continua sendo a abordagem de síntese dominante. Isso envolve principalmente a remoção seletiva de camadas A das fases MAX usando HF ou in-situ métodos de HF. A presença da reação hidrotérmica como método de síntese reflete os esforços contínuos para desenvolver rotas de síntese alternativas, potencialmente mais seguras e mais ecológicas, embora isso represente uma fração menor em comparação com as técnicas convencionais de corrosão.

• Processos físicos e de engenharia: Os MXenes passam por vários processos com armazenamento de energia, destacando seu papel nos mecanismos de armazenamento de carga em baterias e supercapacitores por meio da intercalação de íons e reações redox de superfície.

• Modificador e aditivo: Além de servirem como materiais ativos primários, os MXenes funcionam efetivamente como modificadores, particularmente em blindagens eletromagnéticas e nanocompósitos. Sua incorporação em hidrogéis expande as aplicações para os domínios biomédicos e de materiais macios. A pesquisa significativa sobre materiais resistentes ao fogo e agentes à prova de fogo demonstra as capacidades protetoras dos MXenes, aproveitando sua estabilidade térmica e propriedades de barreira.

• Catalisador: A reação de evolução de hidrogênio representa uma grande aplicação catalítica, posicionando os MXenes como materiais promissores para produção de hidrogênio sustentável e tecnologias de divisão da água.

A prevalência de materiais compostos, como nanocompósitos, hidrogéis, aerogéis, filmes e materiais nanoestruturados destaca os méritos e as limitações dos MXenes. Os MXenes se destacam como potencializadores multifuncionais, mas exigem arquiteturas compostas para um desempenho ideal. Sua condutividade metálica, hidrofilicidade e processabilidade em solução permitem uma integração perfeita em diversas matrizes — polímeros, óxidos, carbonos — que abordam limitações comuns dos MXenes, como fragilidade mecânica e suscetibilidade à oxidação. A inclusão de MXenes nessas matrizes aproveita suas propriedades únicas, indisponíveis em materiais convencionais, por meio de combinações sinérgicas.

[H2]: As substâncias MXene mais prevalentes

Como observado, existem atualmente mais de 30 composições de MXene conhecidas, com a possibilidade de centenas de outras. Examinamos a porcentagem de patentes das 30 mais comuns e descobrimos que o carboneto de titânio (Ti₃C₂) domina amplamente a pesquisa sobre MXenes (veja a Figura 4).

Figura 4: Os 30 MXenes mais prevalentes e a distribuição de publicações de patentes e periódicos. Fonte: CAS Content Collection.

A concentração de patentes com carboneto de titânio reflete a síntese acessível do Ti₃C₂ a partir do Ti₃AlC₂, sua excelente condutividade e suas aplicações versáteis. Além do Ti₃C₂, a pesquisa se diversifica em carbonetos de metais de transição iniciais com intensidades de patente dramaticamente maiores: Ti₂C, V₂C e Nb₂C mostram forte interesse comercial, apesar dos volumes menores de publicação. 

MXenes de ordem superior, como Ta₄C₃ e carboneto de nióbio e titânio (NbTiC), exibem proporções excepcionais entre patentes e publicações, indicando inovações em estágio inicial, porém de alto valor. Notavelmente, variantes de Ti₃C₂ com terminação de superfície — incluindo formas de óxido, hidróxido, fluoreto e cloreto — representam coletivamente uma pesquisa substancial com cobertura de patentes variável. Os MXenes com terminação de óxido mostram consistentemente uma atividade de patente mínima (0-2%), possivelmente indicando um foco em pesquisa fundamental, enquanto os MXenes de carbonitreto e multimetálicos demonstram um interesse comercial elevado, destacando seu potencial para ajuste de propriedades por meio de engenharia composicional.

[H2]: Entendendo tipos específicos de MXenes

Substâncias individuais de MXene são indexadas no CAS REGISTRY® e incluem informações detalhadas, como nomes de substâncias, números CAS, fórmula molecular e 'Papéis', conforme discutido anteriormente. Identificamos tipos específicos de MXenes no CAS REGISTRY e os classificamos por parâmetros-chave para obter uma melhor compreensão dos vários tipos:

[H3]: MXenes classificados por estequiometria

A estequiometria dos MXenes influencia significativamente o foco da aplicação, como evidenciado pela distribuição de publicações (ver Figura 5). O M₃X₂(n=2) domina a literatura, refletindo sua estabilidade superior e facilidade de síntese em comparação com M₂X(n=1) e M₄X₃(n=3), e apresentou o maior crescimento nos últimos três anos.

Figura 5: MXenes agrupados por sua estequiometria. (A) Número de publicações e porcentagem de patentes; (B) Tendências de publicação; (C) Distribuição dos grupos individuais de MXene em aplicações. Fonte: CAS Content CollectionTM.

O armazenamento de energia lidera todas as estequiometrias, mas mostra preferência variável com a espessura da camada de camadas individuais de MXene: M₂X, M₄X₃ e M₃X₂. MXenes mais espessos (M₄X₃) fornecem mais galerias interlamelares para intercalação de íons, aumentando a capacidade da bateria. Por outro lado, o foco maior do M₂X no armazenamento de energia reflete menos aplicações concorrentes.

A catálise favorece o M₂X em relação ao M₃X₂ e M₄X₃, uma vez que estruturas mais finas oferecem maiores razões de área superficial por volume e mais locais de borda ativos expostos para reações catalíticas. A maior área superficial do M₂X facilita a transferência de elétrons e a acessibilidade dos reagentes. A blindagem eletromagnética favorece fortemente o M₃X₂ (11%) devido ao equilíbrio ideal entre condutividade e processabilidade. A menor representação do M₂X sugere eficácia de blindagem insuficiente de estruturas de camada única.

A força distinta do M₄X₃ em revestimentos decorre de propriedades mecânicas e espessura superiores, proporcionando melhor proteção de barreira. A raridade de publicações sobre M₄X₃ reflete uma síntese desafiadora, que requer controle preciso do ataque químico da fase MAX. A alta porcentagem de patentes em M₄X₃ pode ser atribuída ao seu uso em aplicações com muitas patentes, como armazenamento de energia, revestimentos e membranas.

[H3]: MXenes classificados por metais de transição

Os MXenes à base de titânio dominam amplamente o campo, principalmente devido à síntese acessível do Ti₃C₂Tₓ a partir de fases MAX Ti₃AlC₂ disponíveis comercialmente, excelente estabilidade e propriedades bem caracterizadas. Os MXenes de Ti mostram uma distribuição equilibrada de aplicações, servindo como o "pilar" versátil em todos os campos (ver Figura 6). 

Figura 6: MXenes agrupados por seus metais de transição. (A) Número de publicações e porcentagem de patentes; (B) Tendências de publicação; (C) Distribuição dos grupos individuais de MXene em aplicações. Fonte: CAS Content Collection.

A atividade catalítica correlaciona-se fortemente com a identidade do metal. Os MXenes de Mo e W exibem um foco catalítico excepcional, atribuído às suas energias de ligação de hidrogênio ideais e múltiplos estados de oxidação que favorecem as reações de evolução de hidrogênio. Os MXenes de metal duplo Mo-Ti alcançam a maior representação catalítica, demonstrando efeitos sinérgicos da combinação de metais com diferentes estruturas eletrônicas.

As preferências de armazenamento de energia variam sistematicamente: os MXenes de V (60%) e Sc (57%) mostram o maior foco, refletindo seus múltiplos estados de oxidação acessíveis que permitem o armazenamento de carga pseudocapacitiva. Os metais do Grupo V (V, Nb, Ta) mostram consistentemente um foco de 49-60% em armazenamento de energia devido à atividade redox favorável e propriedades de intercalação iônica.

Os metais de transição iniciais (Sc, Y, Zr, Hf) recebem menos atenção devido à síntese desafiadora da fase MAX e maior reatividade. No entanto, os MXenes de Hf e Zr mostram fortes aplicações catalíticas, beneficiando-se de altas funções de trabalho e estruturas eletrônicas únicas. A escassez de publicações sobre W e Y reflete a síntese difícil e a disponibilidade limitada de precursores da fase MAX, apesar de seu desempenho catalítico promissor.

[H3]: MXenes classificados por ânions

A pesquisa sobre MXenes é esmagadoramente dominada por composições à base de carboneto (97% das publicações), enquanto nitretos e carbonitretos permanecem relativamente pouco explorados. Essa disparidade reflete a acessibilidade sintética dos MXenes de carboneto, particularmente o Ti₃C₂Tₓ, que se forma prontamente através da corrosão seletiva das fases MAX. Carbonetos e nitretos mostram alto crescimento nos últimos três anos (ver Figura 7).

Figura 7: MXenes agrupados por seus ânions. (A) Número de publicações e porcentagem de patentes; (B) Tendências de publicação; (C) Distribuição dos grupos individuais de MXenes em aplicações. Fonte: CAS Content Collection.

Os padrões de aplicação revelam preferências distintas dependentes de ânions. O armazenamento de energia domina em todos os tipos, com os nitretos mostrando o maior foco, provavelmente devido à sua condutividade eletrônica superior e cinética de difusão de íons de lítio aprimorada em comparação com os carbonetos. Os MXenes de nitreto também demonstram atividade catalítica excepcional, atribuída ao seu posicionamento ideal do centro da banda d e modificações eletrônicas induzidas pelo nitrogênio que aumentam a reatividade da superfície.  

Os carbonitretos ocupam um meio-termo único, apresentando um desempenho equilibrado no armazenamento de energia e na blindagem eletromagnética. Os MXenes de carboneto exibem a maior diversidade de aplicações, incluindo uma representação significativa em sensores, blindagem eletromagnética e aplicações biomédicas, refletindo sua química de superfícies versátil, hidrofilicidade e protocolos de funcionalização estabelecidos. A pesquisa limitada sobre nitretos sugere um potencial substancial ainda não explorado em aplicações emergentes.

[H3]: MXenes classificados por terminações de superfície

As terminações de superfície nos MXenes são grupos funcionais que se ligam à superfície do metal de transição durante a corrosão das fases MAX. Elas influenciam criticamente as propriedades dos MXenes e a adequação da aplicação, conforme evidenciado por padrões de pesquisa distintos (ver Figura 8). 

Figura 8: MXenes agrupados por suas terminações de superfície. (A) Número de publicações e porcentagem de patentes; (B) Tendências de publicação; (C) Distribuição dos grupos individuais de MXenes em aplicações. Fonte: CAS Content Collection.

Os MXenes com terminação de oxigênio dominam a literatura e demonstram a maior atividade catalítica entre todas as terminações. Isso reflete a capacidade do oxigênio de criar locais redox ativos e energias de ligação ideais para intermediários de reação, que são particularmente benéficos para a eletrocatálise e fotocatálise.  

As terminações de flúor mostram maior estabilidade eletroquímica e características hidrofóbicas, tornando-as preferenciais para o armazenamento de energia, onde a estabilidade do ciclo é crucial. As fortes ligações C-F resistem à oxidação e prolongam a vida útil operacional. Os grupos hidroxila conferem hidrofilicidade e processabilidade em solução superiores, permitindo diversas aplicações em sensores e remediação. Sua capacidade de ligação de hidrogênio facilita o controle do espaçamento entre camadas e a ancoragem de moléculas funcionais.  

Notavelmente, as terminações de cloro e enxofre exibem o maior foco em armazenamento de energia, atribuído à sua eletronegatividade mais fraca em comparação com o oxigênio/flúor, o que aumenta a cinética de intercalação de íons e o comportamento pseudocapacitivo. No entanto, seus desafios sintéticos e menor estabilidade limitam uma exploração mais ampla e representam oportunidades significativas para pesquisas emergentes em sistemas de armazenamento de energia de alto desempenho.

[H2]: O que vem a seguir na inovação de MXenes

Com suas propriedades de alto desempenho e capacidade de ajuste exclusiva, os MXenes oferecem um nível de versatilidade que poucas famílias de materiais conseguem igualar. Eles são condutores, flexíveis e podem ser dissolvidos em água, e os pesquisadores estão utilizando-os em aplicações que variam de componentes de veículos elétricos e baterias a tintas condutoras e membranas especializadas.

A pesquisa sobre MXenes mostra que as substâncias estão se diversificando além do domínio do Ti₃C₂. Composições emergentes, particularmente MXenes de metal de transição duplo, M4X3(n=3), carbonitreto e de terminação alternativa, são cada vez mais prevalentes em aplicações com muitas patentes, apesar do número limitado de publicações. Esse padrão sinaliza possíveis descobertas importantes comerciais em aplicações especializadas, incluindo blindagem eletromagnética, revestimentos avançados, têxteis e armazenamento de energia de última geração. 

O crescimento futuro provavelmente enfatizará métodos de síntese escaláveis, soluções de estabilidade de longo prazo e engenharia de composição específica para cada aplicação, a fim de traduzir a promessa laboratorial dos MXenes em realidade industrial.

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