Met behulp van niet-conventionele methoden, Christina Birkel en haar collega's van de afdeling Scheikunde van de TU Darmstadt produceren metaalkeramiek en nieuwe materialen voor de energievoorziening van de toekomst.

De magnetron in het laboratorium van Christina Birkel, junior onderzoeksgroepleider aan de TU Darmstadt, is niet alleen groter en aanzienlijk duurder dan het gebruikelijke huishoudelijke apparaat, maar ook krachtiger en brand- en explosieveilig. Birkel had de draaitafel en de plastic steun verwijderd. "Dat zou hoe dan ook gesmolten zijn, zegt ze. De chemicus gebruikt de oven voor de synthese van stoffen die experts MAX-fasen noemen. M staat voor een overgangsmetaal, bijvoorbeeld voor titanium of vanadium, A voor een hoofdgroepselement – ​​meestal aluminium – en X voor koolstof, en zeldzamer ook stikstof. Zo ver, ongeveer 70 leden van deze familie zijn bekend.

"Rond de millenniumwisseling, onderzoeksinspanningen op het gebied van MAX-fasen zijn aanzienlijk toegenomen, " legt Birkel uit. Geen wonder, omdat de materialen krasvast zijn, bestand tegen hoge temperaturen en in veel gevallen oxidatiebestendig zoals keramiek, maar ze geleiden ook elektriciteit en hebben soms buitengewone magnetische eigenschappen. Ze worden daarom ook wel metaalkeramiek genoemd. Net als bij kleimineralen, MAX-fasen hebben een lamellaire structuur van afwisselende A- en M-X-M-lagen.

Synthese in een magnetron

Terwijl onderzoekers wereldwijd, vooral in de VS, de eigenschappen en mogelijke toepassingen van MAX-fasen onderzoeken, Birkel is betrokken bij hun synthese. Ze heeft een bijzonder eenvoudige methode geoptimaliseerd met behulp van microgolfverwarming:de metaal- en grafietpoeders worden geperst tot een dichte pellet die vervolgens wordt verzegeld in een geëvacueerde kwartsampul. Dit wordt vervolgens omgeven door korrelig grafiet en in de magnetron geplaatst. Grafiet absorbeert de energie van microgolfstraling bijzonder goed en zorgt ervoor dat de pellet tot meer dan 1300 graden opwarmt - bij zulke hoge temperaturen, MAX fasen vorm.

Maar dit is niet het einde van de weg voor Birkel. Omdat de MXenen, voor het eerst verkregen uit MAX-fasen in 2011, een nog veelbelovendere toekomst hebben dan de laatste. De naam geeft in dit geval de chemie aan:de MXene is een MAX-fase zonder de A-lagen. Deze werden verwijderd met fluorwaterstofzuur. Hoewel de procedure uiterste voorzichtigheid vereist - fluorwaterstofzuur is zeer corrosief - voldoet het perfect aan zijn doel, zoals blijkt uit de elektronenmicroscoop:"De gelaagde structuur van MAX-fasen wordt breder en ziet er dan uit als een uitgewaaierd boek." De afzonderlijke lagen scheiden gedeeltelijk.

De term MXene met de uitgang "ene" duidt op een zekere gelijkenis met grafeen, het wondermateriaal bestaande uit pure koolstoflagen. Wat betreft de MXene, een verscheidenheid aan toepassingen van batterijmaterialen tot waterzuivering worden ook besproken. Onlangs, Birkel en haar collega's produceerden een nieuwe MXene. Het bestaat uit vanadium-koolstoflagen en is geschikt als katalysator voor de waterstofontwikkelingsreactie bij de elektrolyse van water, zoals aangetoond door de groep van Ulrike Kramm, universitair docent aan de TU Darmstadt. Waterelektrolyse wordt steeds belangrijker omdat het de mogelijkheid biedt om overmatig opgewekte zonne- of windenergie op te slaan in de vorm van waterstof.

Hydroxylgroepen (zuurstof en waterstof), zuurstof- en fluoratomen, die aan het oppervlak van de lagen binden tijdens de behandeling met fluorwaterstofzuur, spelen een belangrijke rol in de katalytische activiteit van de MXene. De onderzoekers van de Birkel-groep onderzoeken momenteel de exacte mechanismen met als doel de eigenschappen van de MXene te optimaliseren. Bijvoorbeeld, via de hydroxylgroepen konden organische moleculen aan de lagen worden gekoppeld. "Dus, volgens het Lego-principe, tal van nieuwe MXenen zijn denkbaar, " legt Birkel uit. Tot nu toe, er zijn slechts ongeveer 20 MXenen bekend. De aanstaande scheikundeprofessor had geen beter uitbreidbaar onderzoeksgebied kunnen identificeren.