En ny strategi til syntetisering af 2-D uorganiske materialer, der bruges i kondensatorer, batterier, og kompositter

Overfladefunktionelle grupper i todimensionale (2-D) overgangsmetalcarbider kan undergå alsidige kemiske transformationer for at lette en bred klasse af MXene-materialer. I en ny rapport om Videnskab , Vladislav Kamysbayev, og et team af forskere inden for kemi, fysik og nanoskala materialer ved James Franck Institute, University of Chicago og Argonne National Laboratory i USA introducerede en generel strategi til syntetisering af MXenes. Ved hjælp af metoden, de installerede og fjernede overfladegrupper via substitutions- og eliminationsreaktioner i smeltede uorganiske salte. Holdet syntetiserede med succes MXenes med ilt (O), imidogen (NH), svovl (S), chlor (Cl), selen (Se), bromid (Br) og tellurium (Te) overfladeafslutninger. De designede og udviklede også bare MXener uden overfladeafslutninger og med karakteristiske strukturer og elektroniske egenskaber. Overfladegrupperne kunne også kontrollere de interatomiske afstande i MXene-gitteret for at udvise overfladegruppeafhængig superledning.

Forskere har undersøgt MXenes til applikationer i superkapacitorer, batterier, elektromagnetisk interferensafskærmning og kompositter. Substraterne kan typisk syntetiseres fra tilsvarende MAX -faser, hvor M står for overgangsmetallet, X står for kulstof eller nitrogen, ved selektivt at ætsere hovedgruppeelementet A, som kan omfatte aluminium (Al), gallium (Ga), silicium (Si) og andre elementer. Forskere udfører typisk ætsning i vandige hydrogenfluoridopløsninger (HF), der gengiver MXener med en blanding af fluor (F), oxygen (O) og hydroxid (OH) funktionelle grupper, almindeligvis betegnet som T _x . De funktionelle grupper kan også modificeres kemisk, i modsætning til overfladerne af andre 2-D-materialer, såsom grafen og overgangsdichalcogenider. Tidligere forskning havde vist, at selektive afslutninger af MXener med forskellige overfladegrupper kan føre til bemærkelsesværdige egenskaber, inklusive afstemmelige arbejdsfunktioner og 2-D ferromagnetisme. Kovalent funktionalisering af substratet vil føre til at afdække nye retninger til rationelt at konstruere 2-D funktionelle materialer.

Ved ætsning af MAX -faser i smeltede salte i laboratoriet, forskerne eliminerede uønskede oxidations- og hydrolysereaktioner for at syntetisere de nye MXener. Kamysbayev et al. karakteriseret prøverne ved hjælp af højopløsnings scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM), Raman-spektroskopi og en kombination af røntgenmetoder. De viste, hvordan chlorid (Cl ^- ) og bromid (Br ^- ) ophørte MXener kunne effektivt engagere sig i nye typer overfladereaktioner. Processen tillod enestående kontrol over overfladekemien, struktur og egenskaber ved MXene -materialer. Klorid- og bromidbaserede MXener med labile (let at ændre) overfladebinding fungerede som alsidige synthoner til yderligere kemiske transformationer. MXene -overfladeudvekslingsreaktionerne krævede temperaturer på 300 grader Celsius til 600 grader Celsius, som er vanskelige at opnå gennem traditionelle opløsningsmidler. Holdet brugte derfor smeltede alkalimetalhalogenider i opløsningsmidler med uovertruffen stabilitet ved høj temperatur og høj opløselighed. For eksempel, halogenerede MXener såsom Ti ₃ C ₂ Br ₂ dispergeret i alkalihalogenider, såsom cæsiumbromid, kaliumbromid eller lithiumbromid (CsBr/KBr/LiBr) kunne reagere med dilithiumtellurid (Li ₂ Te) og lithiumsulfid (Li ₂ S) for at danne MXener med en tellurid- eller sulfidbaseret gruppe.

Kamysbayev et al. derefter syntetiseret Ti ₂ CCl ₂ , Ti ₂ CBr ₂ , og Nb ₂ CCl ₂ (betegnet kort som chlorid-MXener og bromid-MXener) baseret på lignende kovalente overflademodifikationer. De udførte overfladeudvekslingsreaktioner på MXenerne for at demonstrere de intakte 2-D-ark under alle transformationstrin. For eksempel, under reaktioner af bromid-MXener med lithiumhydrid ved 300 grader Celsius, teamet producerede bare MXenes med ledige steder og beskrev processen som en reduktiv eliminering af hydridgrupperne. Kemiske transformationer af faste stoffer hæmmes typisk ved langsom diffusion for alvorligt at begrænse omfanget af syntetisering af faststofforbindelser, derfor var fuldstændig udveksling af overfladegrupperne i stablede MXenes en kinetisk besværlig proces.

For at forstå materialets reaktivitet, forskerne fulgte udviklingen af ​​overfladeudvekslingsreaktioner ved hjælp af Ti ₃ C ₂ Cl ₂ ark. Udpakning af MXene -arkene i smeltede salte hjalp i høj grad diffusion af ioner for at gøre MXene -overflader sterisk tilgængelige. Van der Waals (vdW) radier og pakningstæthed af overfladeatomer i materialet havde en enorm effekt på gitterkonstanten angivet -en . Arbejdet viste, hvordan sammensætningen og strukturen af ​​MXenes kunne konstrueres med en enestående alsidighed, mens kemisk funktionalisering af MXenes påvirkede næsten alle egenskaber ved materialerne og påvirkede arten af ​​elektronisk transport i MXenes. Over en temperatur på 30 K, MAX -fasen og MXene -prøverne viste lignende specifik resistivitet, hvilket faldt ved afkøling af prøven. Teamet forbandt temperaturafhængigheden med konduktivitet og en metallisk tilstand.

Kamysbayev et al. bemærkede et kraftigt fald i resistivitet ved en kritisk temperatur på 6,0 K, at angive superledende overgang i materialet. Forholdsvis ilt, hydroxid og fluoridbaserede MXener fremstillet gennem den traditionelle ætsningsvej (i vandig HF) viste to størrelsesordener højere resistivitet uden at vise superledning. De oxoterminerede MXener viste den højeste resistivitet, mens den selenterminerede MXene viste den laveste resistivitet. På denne måde, overfladegrupperne var ikke blot tilskuere, men aktive bidragydere til MXene -superledelse, påvirker biaxial stamme, fononfrekvenser og styrken af ​​elektron-phonon-kobling i materialet. MXene-udvekslingsreaktionerne repræsenterer et spændende modeksempel på den traditionelle opfattelse af faste stoffer, der generelt anses for svære at modificere postsyntese. Ved hjælp af omfattende karakteriseringsundersøgelser, Vladislav Kamysbayev og kolleger viste, hvordan kemiske bindinger inde i en udvidet MXene -stabel kunne designes rationelt til at danne en bred klasse af funktionelle materialer.

© 2020 Science X Network