Forskere opdager ny kemi af 2-D overgangsmetalcarbider og carbonitrider

En ny opdagelse om den grundlæggende kemi af todimensionelle materialer kaldet MXenes vil ændre den måde, forskere arbejder med dem, og åbne op for nye anvendelsesområder, ifølge forskere ved Missouri S&T.

MXenes er keramik, der udgør en af ​​de største familier af 2-D ledende materialer. Deres ledningsevne gør dem til kandidater til brug i energilagring, sansning, og optoelektronik. Ifølge den nanovidenskabelige informationsportal Nanowerk, Det, der gør MXenes så interessant, er, at materialerne kunne tænkes at bestå af en hvilken som helst af millioner af mulige arrangementer af overgangsmetaller (som molybdæn eller titanium), kulstof og nitrogen.

Ud af disse utallige potentielle arrangementer, kun et par dusin er blevet syntetiseret indtil videre. Dette skyldes i høj grad, at antallet af syntetiske tilgange til MXenes er begrænset af manglende forståelse af materialernes kemiske egenskaber, siger Dr. Vadym Mochalin, lektor i kemi ved Missouri S&T.

Mochalin og Shuohan Huang, en doktorgradsstuderende i kemi i Mochalins gruppe ved Missouri S&T, er de første til at dokumentere de gasformige produkter af MXenes' reaktioner i vandige miljøer.

"Vores eksperimentelle resultater åbner et nyt kemiområde af 2-D overgangsmetalcarbider og carbonitrider, " siger Mochalin. "Ved at vise, hvor væsentligt anderledes MXenernes kemi kan være sammenlignet med deres bulkaloger, vi leverer væsentlig information til forskere, der nu vil designe deres MXene-syntese, lagrings- og behandlingsstrategier anderledes."

Mochalin siger, at viden om, hvordan MXener interagerer med vand, er en af ​​dets grundlæggende kemiske egenskaber. Det er vigtigt at forstå i applikationer, især i katalyse og sensing, hvor materialerne vil være udsat for miljøet, tilføjer han.

"Lærebøger i uorganisk kemi lærer, at overgangsmetalcarbider kan opretholde eksponering for vand, samt vandige syrer eller baser, uden reaktion under omgivende forhold og er generelt gode eksempler på kemisk stabile materialer - hvilket stadig gælder for bulkcarbider, " siger Huang. "Men siden MXenes blev tilgængelig i 2011, forskere har anvendt den samme hypotese på 2D-formerne af disse karbider, som vi nu ved ikke længere er sandt."

Forskerne brugte Raman-spektroskopi og gaskromatografi for første gang til at analysere sammensætningen af ​​gasser udviklet i MXene-reaktioner med vand. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano i et papir med titlen "Understanding Chemistry of Two-Dimensional Transition Metal Carbides and Carbonitrides (MXenes) with Gas Analysis."