Tager 2D-materialer til MAX

Opdaget af forskere ved Drexel University som elektroder til energianvendelser, MXenes er blevet et forskningsfokus for KAUST. Husam Alshareef og hans team har specialiseret sig i at skabe nanomaterialer til elektroniske og energianvendelser. De gør dem til enheder, såsom superkondensatorer, batterier og sensorer. Den kemisk aktive overflade og stærkt ledende kerne af MXenes gør dem til et ideelt kandidatmateriale til gruppens banebrydende materialeforskning.

MXener består typisk af en kerne af titanium og kulstofatomer, kun få atomer tykke. Dette metalliske materiale (et carbid eller nitrid) har elektrisk ledningsevne, der kan sammenlignes med en kobbertråd. Den øvre og nedre overflade af MXene er dækket af metal-oxygen (f.eks. Ti-O) og metal-hydroxyl (f.eks. Ti-OH) bindinger, som er kemisk og elektrokemisk aktive. "Denne kombination af egenskaber gør MXenes unik, " forklarer Alshareef.

"Forskere på KAUST har ydet banebrydende bidrag til applikationer af MXenes i elektroniske enheder og sensorer, "siger Yury Gogotsi, en professor fra Drexel University i USA, en af ​​opdagerne af MXenes. "De har flyttet dem fra materialestadiet til apparatfasen takket være deres erfaring med elektronik. Dette er meget vigtigt og kan være et afgørende øjeblik i den praktiske implementering af MXenes i industrien."

Starter forfra

"At have knowhow til at forberede MXenes af god kvalitet er nøglen til at opnå fremragende ydeevne, " siger Alshareef. For at lave de 2-D MXene atomare krystaller, forældrematerialet, kendt som MAX fase, er først fremstillet ved hjælp af konventionel keramisk forarbejdningsteknologi. M i MAX repræsenterer et overgangsmetal, såsom titanium; A er typisk aluminium; og X er carbon eller nitrogen. Opløsningsbehandlingsmetoder bruges til selektivt at fjerne aluminium for at skabe todimensionelle krystaller. Disse krystaller er placeret i suspensioner, der derefter bruges til at lave film, geler, ark og kvanteprikker af MXene.

Udfordringerne ved at lave MXenes er, at temperaturer så høje som 1700 grader Celsius er nødvendige for at lave den overordnede MAX-fase, og HF er nødvendig for at æde aluminiumet ud. "Vi udvikler processer til at forenkle synteseprotokollerne og gøre dem mere miljøvenlige og energieffektive at forberede, " siger Alshareef.

Udvikling af nye enheder

For nylig, Alshareef og hans gruppe udviklede MXene-baseret blødt, superstrækbare polymerer kaldet hydrogeler. "Vi kalder det MXene smart skin, " Alshareef siger. "Den er strækbar med 3, 400 procent, selvhelbredende, blød og kan fornemme næsten alt - berøringskraft, retning, hastighed, stemme, tryk, temperatur, fugtighed." Holdet viste, at et lille stykke smart hud placeret på panden kunne skelne flere ansigtsudtryk, mens en brik placeret på huden over stemmeboksen kunne differentiere hvert bogstav i alfabetet blot ved at måle stemmeboksens bevægelse.

Sensorenheder, som kan udnytte MXenernes store overfladeareal og ekstraordinære ledningsevne, er en anden lovende metode til forskning. Seneste, holdet skabte en MXene-baseret bærbar svedsensor til at overvåge vigtige biomarkører i sved. Den strækbare sensor kan samtidig måle flere parametre, herunder lactat, glukose, pH og zink. "Den måler og sender direkte til din telefon - og den virker, " Alshareef siger. "Vores prototype bærbar svedsensor fungerer godt, og vores fremtidige indsats vil fokusere på miniaturisering."

Alshareefs samarbejder på tværs af KAUST-campus demonstrerer MXenes' brede potentiale. Han har arbejdet sammen med Omar Mohammed for at forstå deres grundlæggende optoelektroniske egenskaber og for at fremstille MXene-baserede fotoniske og plasmoniske enheder; Peng Wang, fra Center for Vandafsaltning og Genbrug, at udvikle osmotiske kraftgeneratorer; og Xixiang Zhang for at udforske den todimensionelle natur af MXenes for at dyrke todimensionel ferroelektrisk, elektro-optiske og piezoelektriske krystaller, der arver egenskaberne af MXenes.