Supermaterialer ud af mikrobølgeovnen

Ved hjælp af ikke-konventionelle metoder, Christina Birkel og hendes kolleger i Kemisk Institut ved TU Darmstadt producerer metallisk keramik og nye materialer til fremtidens energiforsyning.

Mikrobølgeovnen i laboratoriet af Christina Birkel, junior forskergruppeleder ved TU Darmstadt, er ikke kun større og betydeligt dyrere end den sædvanlige husholdningsapparat, men også mere kraftfuld og brand- og eksplosionssikker. Birkel fik fjernet drejeskiven og dens plaststøtte. "Det ville alligevel have smeltet, "siger hun. Kemikeren bruger ovnen til syntese af stoffer, som eksperter kalder MAX -faser. M står for et overgangsmetal, for eksempel til titanium eller vanadium, A for et hovedgruppeelement - normalt aluminium - og X for kulstof, og mere sjældent også nitrogen. Så langt, cirka 70 medlemmer af denne familie er kendt.

"Omkring årtusindeskiftet, forskningsindsatsen inden for MAX -faser er steget betydeligt, "forklarer Birkel. Ikke underligt, fordi materialerne er ridsefast, høj temperatur stabil og i mange tilfælde oxidationsbestandig som en keramik, men de leder også elektricitet og har undertiden ekstraordinære magnetiske korrekte bånd. De kaldes derfor også metallisk keramik. På samme måde som lermineraler, MAX faser har en lamellær struktur af skiftevis A- og M-X-M-lag.

Syntese i en mikrobølgeovn

Mens forskere verden over, især i USA, undersøge egenskaber og potentielle anvendelser af MAX -faser, Birkel er involveret i deres syntese. Hun har optimeret en særlig enkel metode ved hjælp af mikrobølgeopvarmning:Metal- og grafitpulverne presses ned i en tæt pellet, der efterfølgende forsegles i en evakueret kvartsampul. Dette er derefter omgivet af granuleret grafit og anbragt i mikrobølgeovnen. Grafit absorberer mikrobølgestrålingens energi særligt godt og sikrer, at pelleten opvarmes til over 1300 grader-ved så høje temperaturer, MAX faser dannes.

Men dette er ikke enden på vejen for Birkel. Fordi MXenerne, hentet fra MAX faser for første gang i 2011, har en endnu mere lovende fremtid end sidstnævnte. Navnet angiver kemien i dette tilfælde:MXene er en MAX -fase uden A -lagene. Disse blev fjernet med flussyre. Selvom proceduren kræver den største forsigtighed - flussyre er stærkt ætsende - opfylder den sit formål perfekt, som vist af elektronmikroskopet:"Den lagdelte struktur i MAX-faser udvides og ligner derefter en viftet bog." De enkelte lag adskiller sig delvist.

Udtrykket MXene med slutningen "ene" angiver en vis lighed med grafen, mirakelmaterialet bestående af rene kullag. Med hensyn til MXene, en række anvendelser fra batterimaterialer til vandrensning diskuteres også. For nylig, Birkel og hendes kolleger producerede en ny MXene. Den består af vanadium-carbonlag og er egnet som katalysator for hydrogenudviklingsreaktionen ved elektrolyse af vand, som demonstreret af gruppen af ​​Ulrike Kramm, adjunkt ved TU Darmstadt. Vandelektrolyse bliver mere og mere vigtig, fordi det gør det muligt at lagre alt for genereret sol- eller vindenergi i form af brint.

Hydroxylgrupper (oxygen og hydrogen), oxygen- og fluoratomer, som binder til overfladen af ​​lagene under flussyrebehandling, spiller en vigtig rolle i den katalytiske aktivitet af MXene. Birkel -gruppens forskere undersøger i øjeblikket de nøjagtige mekanismer med det formål at optimere MXene's egenskaber. For eksempel, organiske molekyler kunne kobles til lagene via hydroxylgrupperne. "Dermed, ifølge Lego -princippet, mange nye MXener er tænkelige, "forklarer Birkel. Indtil videre har kun omkring 20 MXen er kendt. Den kommende kemiprofessor kunne ikke have identificeret et mere ekspanderbart forskningsområde.