To-dimensionelle MXene-materialer får deres nærbillede

Forskere har længe søgt elektrisk ledende materialer til økonomiske energilagringsenheder. To-dimensionel (2-D) keramik kaldet MXenes er kandidater. I modsætning til de fleste 2-D keramik, MXener har iboende god ledningsevne, fordi de er molekylære plader fremstillet af carbider og nitrider i overgangsmetaller som titanium.

MXenes blev co-opdaget af Michael Naguib, nu Wigner -stipendiat ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, mens han fortsatte sin ph.d. ved Drexel University i 2011. MXene lag kan kombineres til at konstruere ultratynd elektronik, sensorer, batterier, superkondensatorer og katalysatorer. Omkring 20 MXen er siden blevet rapporteret.

For nylig, ORNL-forskere, der bruger state-of-the-art scanningstransmissionselektronmikroskopi, eller STEM, gav det første direkte bevis på atomdefektkonfigurationerne i et titaniumcarbid MXene syntetiseret ved Drexel University. Udgivet i ACS Nano , et tidsskrift fra American Chemical Society, undersøgelsen koblede atomskala karakterisering og elektriske ejendomsmålinger med teoribaseret simulering.

"Brug af atomopløsnings scanningstransmissionselektronmikroskopi-billeddannelse, vi visualiserede defekter og defektklynger i MXene, der er meget vigtige for fremtidige nano -elektroniske enheder og katalytiske applikationer, "sagde hovedforfatter Xiahan Sang fra Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science User Facility på ORNL.

"Defekter på atomniveau kan konstrueres til materialer for at muliggøre nye funktioner, "sagde seniorforfatter Raymond Unocic fra CNMS." At forstå disse defekter er afgørende for fremskridt af materialer. "

Atomisk billeddannelse fra forskellige perspektiver var nøglen til at afsløre MXenes struktur. Når prøven er på linje med elektronstrålen i et STEM -instrument, seeren kan ikke fortælle, hvor mange ark der ligger under det øverste lag. Men vipp blot prøven, og forskelle viser sig let. For eksempel, et lag med flere ark er lavet af stablede atomer, en struktur, der danner et sløret billede, når laget vippes. Udseendet af skarpe atombilleder under forskellige vippebetingelser beviste utvetydigt MXen's enkeltlagsstruktur.

Let masseproduktion af en god 2-D-leder

MXener er fremstillet af en tredimensionel (3-D) bulk krystal kaldet MAX ("M" betegner et overgangsmetal; "A, "et element, såsom aluminium eller silicium, fra en bestemt kemisk gruppe; og "X, "enten kulstof eller nitrogen). I MAX -gitteret, som MXene udforskede i denne undersøgelse, opstod, tre lag titaniumcarbid er klemt mellem aluminiumslag.

Drexel -forskerne forbedrede en teknik udviklet i 2011 og ændret i 2014 for at syntetisere MXene fra bulk -MAX -fasen ved hjælp af syrer. Den forbedrede metode kaldes minimalt intensiv lagdelaminering, eller MILD. "Ved at gå med MILD, vi endte med store flager af høj kvalitet MXene, "sagde Mohamed Alhabeb, en ph.d. -studerende i materialevidenskab ved Drexel University, der opnåede denne bedrift med en anden ph.d. -studerende, Katherine Van Aken, under ledelse af en af ​​medopdagerne af MXenes, Fremstående universitetsprofessor og direktør for A.J. Drexel Nanomaterials Institute Yury Gogotsi.

For at syntetisere fritstående MXene-flager, Drexel -teamet behandlede først MAX -bulk med et ætsemiddel af fluoridsalt og saltsyre for selektivt at fjerne uønskede lag aluminium mellem titaniumcarbidlag. Derefter rystede de manuelt det ætsede materiale for at adskille og samle titaniumcarbidlagene. Hvert lag er fem atomer tykt og er lavet af carbonatomer, der binder tre titaniumplader. Ætsning og eksfoliering af MAX producerer mange af disse fritstående MXene-lag. Denne relativt enkle teknik kan muliggøre produktion i stor skala.

Ætsning skaber defekter - ledige rum, der opstår, når titaniumatomer trækkes fra overflader. "Defekter" er faktisk gode i mange anvendelser af materialer. De kan indføres i et materiale og manipuleres for at forbedre dets nyttige katalytiske, optiske eller elektroniske egenskaber.

Jo større koncentration af ætsemiddel, jo større antal fejl der er skabt, undersøgelsen fundet. "Vi har evnen til at justere defektkoncentrationen, som kunne bruges til at skræddersy fysisk -kemiske egenskaber til energilagring og konverteringsenheder, "Sagde Sang.

I øvrigt, antallet af fejl påvirkede ikke stærkt MXenes elektriske ledningsevne. Hos CNMS, Ming-Wei Lin og Kai Xiao målte fysiske egenskaber, herunder elektrisk ledningsevne, af forskellige lovende 2-D materialer. De fandt, at MXene var en størrelsesorden mindre ledende end et perfekt grafenark, men to størrelsesordener mere ledende end metallisk molybdendisulfid.

Ved hjælp af modellering og simulering, ORNLs Paul Kent og Yu Xie beregnede den energi, der var nødvendig for at skabe atomkonfigurationer af defekter, som Sangs STEM viste, var udbredt.

Dernæst planlægger forskerne at justere defekter ned til atomniveau for at skræddersy specifik adfærd.