Onderzoekers van Missouri S&T hebben ontdekt dat tweedimensionale (2-D) titaniumcarbidematerialen, of MXenen, kan reageren met water zonder andere oxidatiemiddelen. Hun bevinding kan leiden tot nieuwe inzichten in de ongebruikelijke chemie van MXenes en bijgevolg gevolgen hebben voor de opslag- en apparaatproductie van MXenes.

MXenen zijn een van de grootste families van 2D-materialen. Het zijn een paar atoomdikke platen met de structuren van overgangsmetaalcarbiden en nitriden en met onderscheidende eigenschappen zoals een hoge elektrische geleidbaarheid gecombineerd met hun vermogen om in water te dispergeren.

Onderzoekers zijn enthousiast over hun potentiële gebruik in energieopslag- en oogsttoepassingen zoals batterijen, supercondensatoren en tribo-elektrische nanogeneratoren, die verspilde wrijvingsenergie omzetten in elektriciteit, volgens Dr. Vadym Mochalin, universitair hoofddocent scheikunde bij Missouri S&T.

"De reactiviteit van MXenes op water die we hebben aangetoond, verandert niet alleen de algemene perceptie over weerstand van titaniumcarbide tegen hydrolyse in omgevingsomstandigheden, maar wijst ook op de opvallende verschillen in chemische eigenschappen tussen bulk- en 2D-vormen van hetzelfde materiaal, ' zegt Mochalin.

Mochalin en hoofdauteur Shuohan Huang, een doctoraalstudent scheikunde werkzaam in de onderzoeksgroep van Mochalin in Missouri S&T, bespreken hun bevindingen in "Hydrolyse van 2-D Transition-Metal Carbides (MXenes) in Colloidal Solutions, een artikel dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society Anorganische scheikunde .

"Onze nieuwe bevindingen zijn belangrijk omdat we nu weten dat het water zelf is in plaats van zuurstof waartegen MXenen moeten worden beschermd tijdens productie en opslag, " zegt Huang.

Om tot hun "alleen water"-conclusie te komen, Huang en Mochalin testten systematisch de hydrolyse en chemische stabiliteit van MXenes Ti3C2Tx en Ti2CTx in water en niet-waterige colloïdale oplossingen blootgesteld aan zuurstof en/of inert gasomgevingen in verschillende combinaties, als het voorbeeld
getoond in de afbeelding.

"Het lijkt erop dat in hun 2-D staat, overgangsmetaalcarbiden zijn vrij reactief, " zegt Mochalin. "Met ons resultaat, we kijken uit naar vervolgstudies van hun rijke chemie in reacties met water en andere moleculen, inclusief organische verbindingen, evenals onderzoeken naar de mogelijke katalytische eigenschappen van MXenes."