At lave mere MXene:Forskere løfter sløret for et skalerbart produktionssystem til de lovende, 2-D nanomaterialer

I mere end et årti, todimensionelle nanomaterialer, såsom grafen, er blevet udråbt som nøglen til at lave bedre mikrochips, batterier, antenner og mange andre enheder. Men en væsentlig udfordring ved at bruge disse atomtynde byggematerialer til fremtidens teknologi er at sikre, at de kan produceres i bulkmængder uden at miste deres kvalitet. For en af ​​de mest lovende nye typer 2-D nanomaterialer, MXenes, det er ikke længere et problem. Forskere ved Drexel University og Materials Research Center i Ukraine har designet et system, der kan bruges til at fremstille store mængder af materialet og samtidig bevare dets unikke egenskaber.

Holdet rapporterede for nylig i journalen Avancerede tekniske materialer at et reaktorsystem i laboratorieskala udviklet på Materials Research Center i Kiev, kan konvertere et keramisk forløbermateriale til en bunke af det pulverformige sorte MXene titaniumcarbid, i mængder så store som 50 gram pr. batch.

At bevise, at store partier af materiale kan raffineres og produceres med ensartethed, er et kritisk skridt mod at opnå levedygtighed for fremstilling. For MXene materialer, som allerede har bevist deres evner i prototypeenheder til lagring af energi, computer, kommunikation og sundhedspleje, at nå produktionsstandarder er hjemmet på vej til almindelig brug.

"At bevise et materiale har visse egenskaber er én ting, men at bevise, at det kan overvinde de praktiske udfordringer ved fremstilling, er en helt anden hindring - denne undersøgelse rapporterer om et vigtigt skridt i denne retning, " sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach professor i Drexel's College of Engineering, som har været banebrydende inden for forskning og udvikling af MXene og er hovedforfatter af papiret. "Dette betyder, at MXene kan overvejes til udbredt brug i elektronik og energilagringsenheder."

Forskere ved Drexel har lavet MXene i små mængder - typisk et gram eller mindre - siden de første gang syntetiserede materialet i 2011. Det lagdelte nanomateriale, som ligner et pulver i sin tørre form, starter som et stykke keramik kaldet en MAX fase. Når en blanding af flussyre og saltsyre interagerer med MAX-fasen, ætser den visse dele af materialet væk, skaber de nanometertynde flager, der er karakteristiske for MXenes.

I laboratoriet, denne proces ville finde sted i en 60 ml beholder med ingredienserne tilsat og blandet i hånden. For mere omhyggeligt at kontrollere processen i større skala, gruppen bruger et en-liters reaktorkammer og en skrueføderanordning til præcist at tilføje MAX fase. Et indløb fører reaktanterne ensartet ind i reaktoren, og et andet giver mulighed for gastrykaflastning under reaktionen. Et specielt designet blandeblad sikrer grundig og ensartet blanding. Og en kølekappe omkring reaktoren lader holdet justere reaktionstemperaturen. Hele processen er edb-styret og styret af et softwareprogram skabt af Materials Research Center-teamet.

Gruppen rapporterede med succes at bruge reaktoren til at fremstille lige under 50 gram MXene-pulver fra 50 gram MAX-fase-precursormateriale på omkring to dage (inklusive tid, der kræves til vask og tørring af produktet). Og et batteri af test udført af studerende ved Drexels Materials Science and Engineering Department viste, at det reaktorproducerede MXene bevarer morfologien, elektrokemiske og fysiske egenskaber af det originale laboratoriefremstillede stof.

Denne udvikling placerer MXenes i en gruppe med kun en håndfuld 2-D materialer, der har bevist, at de kan produceres i industrielle størrelser. Men fordi MXene-fremstilling er en subtraktiv fremstillingsproces - ætsning af stumper af et råmateriale, som at høvle tømmer ned – det adskiller sig fra de additive processer, der bruges til at lave mange andre 2D-nanomaterialer.

"De fleste 2-D materialer er lavet ved hjælp af en bottom-up tilgang, " sagde Christopher Shuck, Ph.D., en post-doc forsker i A.J. Drexel Nanomaterials Institute. "Det er her atomerne tilføjes individuelt, en efter en. Disse materialer kan dyrkes på bestemte overflader eller ved at deponere atomer ved hjælp af meget dyrt udstyr. Men selv med disse dyre maskiner og katalysatorer brugt, produktionspartierne er tidskrævende, lille og stadig uoverkommelig dyr til udbredt brug ud over små elektroniske enheder."

MXenes drager også fordel af et sæt fysiske egenskaber, der letter deres vej fra forarbejdet materiale til det endelige produkt - en forhindring, der har udløst selv nutidens meget brugte avancerede materialer.

"Det tager typisk et stykke tid at bygge teknologien og forarbejdningen ud for at få nanomaterialer i en industrielt anvendelig form, " sagde Gogotsi. "Det er ikke kun et spørgsmål om at producere dem i store mængder, det kræver ofte at opfinde helt nye maskiner og processer for at få dem i en form, der kan indsættes i fremstillingsprocessen - af en mikrochip eller mobiltelefonkomponent, for eksempel."

Men for MXenes, integration i produktionslinjen er en ret nem del, ifølge Gogotsi.

"En stor fordel for MXenes er, at de bruges som et pulver lige efter syntese, eller de kan spredes i vand og danner stabile kolloide opløsninger, " sagde han. "Vand er det billigste og det sikreste opløsningsmiddel. Og med den proces, vi har udviklet, vi kan stemple eller udskrive titusindvis af små og tynde enheder, såsom superkondensatorer eller RFID-tags, af materiale fremstillet i én batch."

Dette betyder, at det kan anvendes i et hvilket som helst standardudvalg af additive fremstillingssystemer - ekstrudering, trykning, dyppebelægning, sprøjtning - efter et enkelt behandlingstrin.

Flere virksomheder søger at udvikle applikationer af MXene materialer, herunder Murata Manufacturing Co, Ltd., en elektronikkomponentvirksomhed baseret i Kyoto, Japan, som udvikler MXene-teknologi til brug i flere højteknologiske applikationer.

"Det mest spændende ved denne proces er, at der grundlæggende ikke er nogen begrænsende faktor for en industriel opskalering, " sagde Gogotsi. "Der er flere og flere virksomheder, der producerer MAX faser i store partier, og en række af dem er fremstillet ved hjælp af rigelige prækursormaterialer. Og MXener er blandt meget få 2-D materialer, der kan fremstilles ved våd kemisk syntese i stor skala ved hjælp af konventionelt reaktionsteknisk udstyr og design."