Et strejf salt kan styrke MXene -supermaterialer mod oxidation

De kan lagre elektricitet bedre end næsten ethvert materiale på jorden, blokere et angreb af elektromagnetisk interferens, og snuse det svageste spor af toksiner i luften, men MXenes, det seneste super-materiale-i-vente, har problemer med vand. Som en rive udeladt i regnen, de oxiderer, og hurtigt, ved opbevaring eller blanding i vand. Det er et spørgsmål om konsekvens, i betragtning af nogle af de mest lovende applikationer kræver det, at man kombinerer MXene -flager i vand for at lave ting som ledende blæk og spraycoatings. Et gennembrud, for nylig offentliggjort af forskere ved Drexel University i et tysk kemitidsskrift, viser, at et almindeligt vandblødgøringsadditiv kan bidrage til at bevare flagerne i vand, kunne være nøglen til dens fremtidige levedygtighed.

Disse atomisk tynde, lagdelte materialer, som blev opdaget ved Drexel i 2011, skylder deres enestående evner, delvis, til deres overfladekemi og fysiske struktur. Men kilden til MXenes unikke egenskaber er sandsynligvis også deres svaghed, når det kommer til oxidation, ifølge forskningen offentliggjort af et team af forskere fra Drexel's College of Engineering.

"Oxidation af MXenes har altid været et problem, "ifølge Varun Natu, en doktorgradsforsker i kollegiet og en medforfatter af papiret "Edge Capping of 2-D-MXene Sheets with Polyanionic Salts to Mitigate Oxidation in Aqueous Colloidal Suspensions, ", der blev offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie . "De mest almindelige titaniumcarbid -MXener viser tegn på oxidation, når de opbevares i en uge eller deromkring i vand; andre kemikalier oxiderer inden for få dage."

Ilt er et problem, ikke kun fordi det reagerer med MXenes - som det ville gøre en rusten rive - men det ændrer også deres overfladekemi og morfologi, hvilket i sidste ende reducerer deres ydeevne, når det kommer til opgaver som at passere og lagre elektricitet.

Fremstående professor Michel Barsoums gruppe i Institut for Materialevidenskab og Teknik, som var en del af teamet, der opdagede MXenes og har undersøgt deres applikationer, havde søgt en måde at forhindre MXener i at oxidere i vand i flere år. Dens gennembrud kom, efter at en beslægtet opdagelse viste, hvordan oxidation begynder ved kanterne af MXene -pladerne.

Basoums hold viste for et par måneder siden, at mens MXenernes lag har en negativ overfladeladning, kanterne af arkene har faktisk en positiv ladning. Denne opdagelse, plus faktum, etableret i lerlitteraturen, at negative entiteter tiltrækkes til kanterne af lerpartiklerne førte til gennembruddet.

"Når du opløser polyfosfatsalte i vand, de dissocierer i de lange negativt ændrede kæder af polyfosfater og positive enheder eller kationer. Førstnævnte tiltrækkes af de positive MXene -kanter, luk dem og luk ned, eller reducere kraftigt, oxidationsprocessen. Det er simpel elektrostatik. Når disse kæder sidder ved MXene -kanterne, blokerer de den direkte kontakt med vand og luft, hvilket reducerer oxidationshastigheden, "sagde Natu.

Ved hjælp af avancerede mikroskopiteknikker, der er tilgængelige i laboratoriet af medforfatter Mitra Taheri, Ph.d., Professor i kollegiet, forskerne var i stand til at vise, at polyfosfatkæderne faktisk var tiltrukket af de positive kanter. Og afdækning af lagens kanter med en inert forbindelse på denne måde beskytter effektivt de reaktive dele af materialet mod direkte kontakt med vand og/eller ilt, hvilket i høj grad bremser oxidationsprocessen.

Bevæbnet med beskyttende polyfosfathætter, MXene -flager i undersøgelsen varede mere end en måned i vand udsat for luft uden tegn på oxidation.

"Denne opdagelse gør endelig langtidsopbevaring af MXenes mulig, hvilket kan gøre dets industrielle skala levedygtig, "Sagde Barsoum." Før vores opdagelse var de mest almindelige foreslåede metoder, tørre MXenerne og opbevare dem i et vakuum, opbevaring under Argon atmosfærer, ved hjælp af organiske opløsningsmidler til fremstilling af MXene -kolloider eller til opbevaring under flydende nitrogen. Men alle disse metoder er ikke omkostningseffektive, energieffektive eller skalerbare. Gør tilsætning af polyfosfat til den bedste metode til at forhindre oxidation til dato. "

Barsoums gruppe testede sin teori med tre forskellige salte på to forskellige MXene -sammensætninger, viser, at en række forskellige molekyler effektivt kan bruges til at dække flagerne. Mens Drexel -forskere allerede har belyst muligheden for at bruge MXenes til applikationer inden for mobilteknologi, energilagring, trådløs kommunikation, vandfiltrering og sundhedspleje, dette arbejde kan føre til fremskridt inden for overflade- og kantteknik af MXenes for at optimere dem til disse job og andre. Teamet undersøger også lignende metoder til konservering af MXenes i tørret form, hvilket også ville udvide mulighederne for dens anvendelse.