Ny indsigt i overfladeegenskaberne af todimensionelle MXenes-materialer

CEST-forskere har afsløret ny indsigt/resultater om overfladefunktionalisering af materialer, der anvendes i en bred vifte af applikationer, såsom energilagring, biokemi, sansning, og energiproduktion

I deres seneste publikation, forskere fra CEST-gruppen har foretaget en beregningsundersøgelse om overfladesammensætningen af ​​flere materialer af MXene-typen. Forskerne udforskede forskellig overfladekemi og dens ændringer bidraget af forskellige overgangsmetaller, samt et forskelligt antal atomlag. MXenes finder anvendelse i batterier, superkondensatorer, elektromagnetisk afskærmning og overfladesensorer.

MXener er todimensionelle (2D) overgangsmetalkarbider og nitrider, der tilhører en stor klasse af 2D-materialer med ekstraordinær elektronisk, optisk, mekanisk, termisk, og katalytiske egenskaber. Disse materialer har den generelle sammensætning M_(n+1)X_n, hvor M er et overgangsmetal og X et carbon- eller nitrogenatom, med n svarende til atomtykkelse. Et nøgletræk ved MXenes er, at deres overfladeegenskaber kan ændres ved at kontrollere sammensætningen af ​​funktionelle grupper såsom -O, -F, og -OH. Selvom en række MXene materialeegenskaber tilskrives deres overfladesammensætning og dermed funktionalisering, den faktiske struktur, sammensætning og funktionalitet af disse overflader forbliver ofte ukendt i det virkelige liv.

I deres nuværende undersøgelse, Rina Ibragimova og kolleger anvendte et multi-skala beregningsskema, der resulterede i en realistisk fordeling af organiske molekyler på overfladen af ​​flere MXener. Ud over, denne model var i stand til at påvise tendenser i fordelingen og sammensætningen af ​​overfladefunktionelle grupper. Forskerne fandt ud af, at fordelingen af ​​disse funktionelle grupper ser ud til at være stort set uafhængig af typen af ​​metal, kulstof, eller nitrogen anvendt i materialet, samt fra antallet af atomlag. I stedet, gruppen viser for første gang, at fordelingen af ​​disse adsorbanter er styret af den elektrostatiske natur af interaktioner mellem molekylerne, og mindre ved kemiske interaktioner i det indre af MXene-lagene. Ibragimova demonstrerede også med succes dannelse af blandede funktionelle grupper på overfladen og udforskede en række ligevægtssammensætninger, der var egnede til en række eksperimentelle forhold (pH, potentiel, og temperatur).

Derved, forskerne opnåede en solid forståelse af MXene overfladefunktionalisering, herunder hvordan denne overflade kan modificeres under kontrollerede eksperimentelle forhold, og hvordan dette igen påvirker elektroniske og andre egenskaber. Disse resultater gør det nu muligt for eksperimentel at estimere sammensætningen af ​​funktionelle grupper under visse syntesebetingelser og justere disse i overensstemmelse med deres behov.

Ibragimova ønsker nu at udforske andre aspekter af overfladedesignet af MXenes. Det vil omfatte undersøgelser af dannelsen af ​​de native defekter i disse materialer og deres forhold til overfladefunktionaliseringen.

Artiklen er publiceret i The Journal of Physical Chemistry Letters