Vandfri måde at lave MXenes på kan betyde nye anvendelser for de lovende nanomaterialer

Ti år efter at have produceret den første prøve af den nu bredt undersøgte familie af nanomaterialer, kaldet MXenes, Drexel University-forskere har opdaget en anden måde at fremstille det atomtynde materiale på, som giver en række nye muligheder for at bruge det. Den nye opdagelse fjerner vand fra MXene-fremstillingsprocessen, hvilket betyder, at materialerne kan bruges i applikationer, hvor vand er en forurening eller hæmmer ydeevnen, såsom batterielektroder og næste generations solceller.

Opdagelsen, som blev rapporteret for nylig i bladet Chem , tilbyder en ny opskrift på den kemiske ætsningsløsning, der skærer lag væk fra et keramisk prækursormateriale, kaldet MAX fase, at skabe det todimensionelle lagdelte materiale, MXene.

"Vand er blevet brugt i MXene-fremstillingsprocesserne til at fortynde ætsesyren og som opløsningsmiddel til at neutralisere reaktionen, men det er ikke altid ønskeligt at have spor af det i det færdige produkt, sagde Michel Barsoum, Ph.D., Fremragende professor ved Drexel's College of Engineering. "Vi har arbejdet i nogen tid på at udforske andre ætsemidler til MAX P-fasen, og nu har vi fundet den helt rigtige kombination af kemikalier til at gøre det."

MXenes har fået opmærksomhed for nylig som en alsidig, holdbar, ledende materiale, der en dag kunne forbedre energilagringsteknologi, muliggøre funktionelle tekstiler og forbedre telekommunikation.

Typisk, de fremstilles ved at bruge en koncentreret syre, at skære atomlag væk fra et MAX-fasemateriale, vaskes derefter med vand - efterlader flager af det 2-D lagdelte materiale, der kan presses til tynde film til mikrochips og batterielektroder, eller bruges til at spraymale antenner og belægge enheder for at blokere elektromagnetisk interferens.

Processen rapporteret af Barsoum og hans kolleger bruger et organisk opløsningsmiddel og ammoniumdihydrogenfluorid - et kemikalie, der almindeligvis bruges til at ætse glas - til at ætse MAX-fasen. Denne løsning udfører ætsningen, dels fordi det nedbrydes til flussyre, men det kræver ikke vand for at fortynde det eller for at vaske biprodukterne fra ætseprocessen væk.

At fremstille MXenes på denne måde ændrer deres indre kemiske struktur på en måde, der gør dem bedre egnede til brug i nogle typer batterier og solceller - hvor vand kunne bremse de kemiske reaktioner, der lagrer og/eller omdanner energi, eller i nogle tilfælde endda forårsage korrosion.

"MXenes har vist et enormt potentiale for at forbedre energilagringsenheder, men denne opdagelse gør dem endnu mere lovende, " sagde Varun Natu, en doktorgradsforsker ved Drexel's College of Engineering og førsteforfatter af papiret. "Det er kendt, at selv en lille tilstedeværelse af vand i lithium- eller natriumionbatterier, der bruger organiske elektrolytter, kan være skadeligt for deres præstationer. I dette arbejde viser vi, at MXene-film syntetiseret i propylencarbonat - når de testes som anoder i et natriumionbatteri - udviser næsten det dobbelte af kapaciteten af ​​den samme sammensætning ætset i vand. Ud over, MXenes kan nu nemt integreres med materialer, der nedbrydes i vand, ligesom visse polymerer, kvanteprikker og perovskitter."

Ud over at udstyre MXenes bedre til disse applikationer, og andre, der endnu skal udforskes, den nye proces gør det også muligt at genvinde og genbruge ætseopløsningen. Dette kan vise sig at være værdifuldt, da forskere og virksomheder undersøger den mest effektive måde at opskalere produktionsprocessen på.

Forskere involveret i dette arbejde, inklusive Vibha Kalra, Ph.D., lektor ved Ingeniørhøjskolen, har udforsket måder at forbedre batteriets ydeevne og sikkerhed ved at udvikle nye typer elektroder. Denne opdagelse kunne bringe nye muligheder i brug i disse bestræbelser, samt udbygning af Drexels samling af MXene-forskning.

"Denne opdagelse åbner op for et enormt nyt forskningsfelt:Ikke-vandig ætsning af MXener. Vi tror på, at dette arbejde vil vise sig nyttigt ikke kun for MXene-samfundet, men også til forskere i hele feltet materialevidenskab, " sagde Barsoum.