Titaniumcarbidflager opnået ved selektiv ætsning af titaniumsiliciumcarbid

Metallisk ledningsevne og hydrofilicitet af MXenes har etableret dem som elektroder i genopladelige batterier og superkondensatorer, såvel som andre applikationer, herunder fototermisk kræftbehandling, elektromagnetisk afskærmning, vandrensning og gasmåling. I journalen Angewandte Chemie , forskere har nu introduceret en ny produktionsmetode. I stedet for at bruge konventionelle, endnu dyrere, titanium aluminiumcarbid, de ætser selektivt silicium ud af siliciumcarbid af titanium, en billigere og mere almindelig forløber, at syntetisere titaniumcarbid.

Todimensionelle materialer, bestående af ekstremt tynde lag, der er få atomer tykke, har unikke egenskaber, der er helt anderledes end de normale tredimensionelle versioner. Et fremtrædende eksempel på dette er grafen, som er lavet af enkeltlag af kulstofatomer. I 2011, en ny klasse af todimensionale materialer blev syntetiseret ved Drexel University i Philadelphia (Pennsylvania, USA). Kendt som MXenes, materialerne er lavet af overgangsmetalkarbider og nitrider, hvor M står for et overgangsmetal, såsom titanium, vanadium, eller molybdæn, X kan være kulstof og/eller nitrogen, og mange kompositioner er tilgængelige (ca. 30 er allerede blevet eksperimentelt demonstreret og dusinvis flere forventes). En sådan MXene er titaniumcarbid, Ti ₃ C ₂ .

At opnå den ønskede MXene involverer normalt en rundkørselsproces:Lagdelte karbider og nitrider, kendt som MAX faser, er selektivt ætset med flussyre for at fjerne lagene af "A"-elementet, som er et gruppe 13 eller 14 element såsom aluminium, silicium, eller germanium. På denne måde, titaniumcarbid kan opnås ved at ætse aluminium ud af titanium aluminium carbid (Ti ₃ AlC ₂ ). Imidlertid, dette udgangsmateriale er dyrt, og produktionen er kompleks. I modsætning, siliciumanalogen, titansiliciumcarbid (Ti ₃ SiC ₂ ), er kommercielt tilgængelig og billigere. Ti ₃ SiC ₂ var den første MAX -fase Drexel -forskere forsøgte selektivt at ætse i 2011, men syntesen mislykkedes ved anvendelse af flussyre alene, fordi siliciumatomerne er stærkt bundet til de tilstødende overgangsmetalatomer.

Et team ledet af Yury Gogotsi ved Drexel University har nu udviklet en vellykket variant af denne proces. Ved at tilsætte et oxidationsmiddel, forskerne kunne svække siliciumbindinger og oxidere silicium. Brug af blandinger af flussyre og et oxidationsmiddel som salpetersyre, brintoverilte, eller kaliumpermanganat holdet producerede titaniumcarbid MXene ved selektivt at fjerne silicium fra Ti ₃ SiC ₂ .

Ætsningsprocessen efterlader stakke af titaniumcarbid, som kan delamineres til at lave flager, som er cirka 1 nanometer i tykkelse. Forskerne brugte denne metode til at gøre fleksibel, elektrisk ledende titaniumcarbidfilm i relativt stor skala.

Denne nye metode kunne gøre produktionen af ​​MXenes lettere, og åbne veje til produktion af nye MXener og beslægtede todimensionale materialer fra siliciumholdige forstadier, udvide familien af ​​2-D nanosheets, der er tilgængelige for forskere og ingeniører.