Maksimering af MXenes potentiale

Midt i en bølge af forskning gennem de sidste to årtier med fokus på de særlige egenskaber ved strukturer, der kun er et atom eller to tykke, kaldet "todimensionelle" materialer, forskere ved Drexel University har støt og roligt afsløret de exceptionelle egenskaber ved en familie af disse materialer, kaldet MXenes. Forskerne ved nu, at MXenes er meget ledende og ekstremt holdbare, de kan blokere elektromagnetisk interferens, mærke kemikalier i luften, fjern salt fra vandet, og opfange brint. De har gjort et stærkt argument for at være involveret i fremtidens energilagring, trådløs kommunikation og bærbar teknologi. Men før det kan ske, skal forskere forstå, hvorfor MXenes kan gøre, hvad de gør - og hvordan de kan designes til at gøre det bedre.

Som todimensionelle materialer, MXener er stort set defineret af deres overflader, alligevel er forskere i de tidlige stadier af direkte måling af, hvordan overfladekemien i MXenes påvirker deres ydeevne. Forskere i gruppen Dynamic Characterization i Drexel's College of Engineering behandlede for nylig dette spørgsmål i tidsskriftet Naturkommunikation . Deres undersøgelse tyder på, at konstruktion af atomerne bundet til overfladerne af MXener og molekylerne mellem deres lag kan dramatisk forbedre materialernes forskellige egenskaber.

I deres undersøgelse af MXene overfladekemi, undersøgelserne byggede på en ny elektronmikroskopiteknik - udviklet hos Drexel i 2016 - som tillader hidtil uset måling af den egenskabsdefinerende overfladekemi i realtid.

"Mens idéen om at kontrollere MXene-egenskaber ved at ændre deres overfladeterminering og interkalering altid har været et nøglemål i at fremme disse materialer, vi er de første til direkte at nå dette mål og lægge grunden til at konstruere disse materialer for at forbedre ledningsevnen og udforske muligheden for at udvikle halvledende, magnetiske og topologisk isolerende MXener, " sagde Mitra Taheri, Ph.D., Hoeganaes professor og leder af Dynamic Characterization Group, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "Den hellige gral er at have kontrol over, hvad der foregår mellem lagnerne, ' så at sige. Vi demonstrerer et stort skridt hen imod termineringsteknik gennem brugen af ​​nye in-situ TEM-teknikker og vores direkte detektionsspektroskopiteknologi."

MXenes, som først blev opdaget ved Drexel i 2011, fremstilles ved kemisk ætsning af et lagdelt keramisk materiale kaldet en MAX-fase, at fjerne et sæt kemisk relaterede lag, efterlader en stak todimensionelle flager. Baseret på det nøjagtige anvendte kemiske ætsemiddel, de atomare arter, der efterlades bundet til flageoverfladerne - termineringsarterne - og de molekyler, der sætter sig fast mellem flagerne - interkalanterne - vil variere. Forskere har spekuleret i, at samspillet mellem MXene, terminerende arter, og interkaleringsarter har noget at gøre med MXenes ledningsevne.

Nu har de bekræftet det.

Der er blevet produceret omkring 30 forskellige typer MXener hos Drexel, og denne undersøgelse så på adfærden hos tre, der ofte undersøges for applikationer. Forskernes mål var at måle ledningsevnen af ​​disse materialer, før de blev testet, og derefter for at overvåge det, da interkalanter blev fjernet og overfladekemien af ​​flagerne blev ændret.

At gøre dette, holdet opvarmede trinvist materialerne i et vakuum til temperaturer så høje som 775 grader Celsius. Under opvarmningsprocessen, teamet overvåger både materialets elektroniske modstand - en måde at bestemme dets ledningsevne - samt at observere den kemiske spredning, eller de-interkalation, af intercalanten i realtid. For at foretage disse målinger, forskerne brugte en teknik, de tidligere havde udviklet - kaldet direkte detektionselektronenergitabspektroskopi, som er ideel til overvågning af kemiske ændringer i 2-D materialer.

Den samme proces var i stand til at overvåge og studere frigivelsen af ​​termineringsatomerne fra overfladen af ​​MXene-flagerne. I begge tilfælde, mål for materialets elektriske modstand, afslørede, at de blev mere ledende, efterhånden som intercalanter og termineringsarter blev elimineret.

"I vores undersøgelse, vi startede med MXenes, der havde en blanding af ilt, hydroxid, og fluortermineringsarter, og vi viste, at når du delvist fjerner disse overfladetermineringsgrupper, ledningsevnen øges markant. Dette er også sandt, da vand og organiske molekyler de-interkaleres, "sagde Jamie Hart, en doktorgradsforsker i Institut for Materialevidenskab og Teknik og forfatter til forskningen. "Vigtigt, ved at teste disse materialer i elektronmikroskopet og måle dem med elektronenergitabspektroskopi, vi var i stand til at etablere en årsagssammenhæng mellem interkalation og termineringstab og forbedret ledningsevne."

Selvom dette bekræfter en teori, der har været spekuleret over i nogen tid, Hart bemærker, at det har været næsten umuligt nøjagtigt at inducere, spore og måle virkningerne af disse kemiske ændringer indtil nu. Så denne opdagelse er vigtig, ikke kun fordi den viser kilden til MXenes' adfærd, men også hvordan adfærden kan ændres.

"De fleste eksperimentelle undersøgelser, der ser på MXenes, er rettet mod en bestemt applikation - f.eks. bruge MXene til at lave et batteri og optimere fremstillingen og designet for at maksimere batteriets ydeevne, " sagde Hart. "Vores undersøgelse stiller grundlæggende spørgsmål om egenskaberne af MXenes, og vores resultater giver klare retningslinjer for, hvordan man kan forbedre ledningsevnen i MXenes, som direkte skulle omsættes til forbedret ydeevne til applikationer som antenner og elektromagnetisk interferensafskærmning."

Resultaterne er et vigtigt skridt i retning af at optimere MXenes til forskellige applikationer - bærbar elektronik, energilagring og elektromagnetisk interferensafskærmning, er blandt dem i horisonten - såvel som at forstå, hvordan man gør dem stabile under atmosfæriske forhold i længere perioder. De peger også vejen mod at skabe magnetiske MXener, der kan bruges til datalagringsenheder.

"Denne form for forskning er grundlæggende for udviklingen af ​​MXenes og deres eventuelle integration i de enheder, der forbedrer vores daglige liv, " sagde Kanit Hantanasirisakul, en doktorgradskandidat i Drexel's College of Engineering, og medforfatter til undersøgelsen. "Det bliver spændende at følge MXenes fremskridt, nu hvor vi har en bedre forståelse af, hvordan vi kontrollerer deres ejendomme."