Tien jaar na de productie van het eerste monster van de nu wijdverbreide familie van nanomaterialen, genaamd MXenes, Onderzoekers van de Drexel University hebben een andere manier ontdekt om het atoomdunne materiaal te maken, wat een aantal nieuwe mogelijkheden biedt om het te gebruiken. De nieuwe ontdekking verwijdert water uit het MXene-maakproces, wat betekent dat de materialen kunnen worden gebruikt in toepassingen waarin water een verontreiniging is of de prestaties belemmert, zoals batterij-elektroden en zonnecellen van de volgende generatie.

De vondst, die onlangs in het tijdschrift werd gemeld Chemo , biedt een nieuw recept voor de chemische etsoplossing die lagen wegsnijdt van een keramisch voorlopermateriaal, MAX-fase genoemd, om het tweedimensionale gelaagde materiaal te creëren, MXene.

"Water is gebruikt in de MXene-bereidingsprocessen om het etszuur te verdunnen en als oplosmiddel om de reactie te neutraliseren, maar het is niet altijd wenselijk om sporen ervan in het eindproduct te hebben, zei Michel Barsoum, doctoraat, Distinguished professor aan Drexel's College of Engineering. "We zijn al een tijdje bezig met het verkennen van andere etsmiddelen voor de MAX P-fase en nu hebben we precies de juiste combinatie van chemicaliën gevonden om dit te doen."

MXenes hebben de laatste tijd aandacht gekregen als een veelzijdige, duurzaam, geleidend materiaal dat ooit de technologie voor energieopslag zou kunnen verbeteren, functioneel textiel mogelijk maken en telecommunicatie verbeteren.

Typisch, ze worden geproduceerd met behulp van een geconcentreerd zuur, om atomaire lagen weg te snijden van een MAX-fasemateriaal, vervolgens gewassen met water, waarbij vlokken van het 2-D gelaagde materiaal achterblijven die in dunne films kunnen worden geperst voor microchips en batterij-elektroden, of gebruikt om antennes te spuiten en apparaten te coaten om elektromagnetische interferentie te blokkeren.

Het proces gerapporteerd door Barsoum en zijn collega's gebruikt een organisch oplosmiddel en ammoniumdiwaterstoffluoride - een chemische stof die vaak wordt gebruikt om glas te etsen - om de MAX-fase te etsen. Deze oplossing doet het etsen, gedeeltelijk omdat het wordt afgebroken tot fluorwaterstofzuur, maar er is geen water voor nodig om het te verdunnen of om de bijproducten van het etsproces weg te spoelen.

Door MXenen op deze manier te maken, verandert hun interne chemische structuur op een manier die ze beter geschikt maakt voor gebruik in sommige soorten batterijen en zonnecellen - waar water de chemische reacties zou kunnen vertragen die energie opslaan en/of omzetten, of in sommige gevallen zelfs corrosie veroorzaken.

"MXenes hebben een enorm potentieel getoond voor het verbeteren van apparaten voor energieopslag, maar deze ontdekking maakt ze nog veelbelovender, " zei Varun Natu, een doctoraal onderzoeker in Drexel's College of Engineering en eerste auteur van het papier. "Het is bekend dat zelfs een kleine aanwezigheid van water in lithium- of natriumionbatterijen die organische elektrolyten gebruiken, nadelig kunnen zijn voor hun prestaties. In dit werk laten we zien dat MXene-films die zijn gesynthetiseerd in propyleencarbonaat - wanneer ze worden getest als anodes in een natriumionbatterij - bijna het dubbele van de capaciteit vertonen van dezelfde samenstelling die in water is geëtst. In aanvulling, MXenes kunnen nu eenvoudig worden geïntegreerd met materialen die afbreken in water, zoals bepaalde polymeren, kwantumstippen en perovskieten."

Naast het beter uitrusten van MXenes voor deze toepassingen, en andere die nog moeten worden onderzocht, het nieuwe proces maakt het ook mogelijk om de etsoplossing terug te winnen en opnieuw te gebruiken. Dit kan waardevol zijn als onderzoekers en bedrijven kijken naar de meest efficiënte manier om het productieproces op te schalen.

Onderzoekers die bij dit werk betrokken zijn, inclusief Vibha Kalra, doctoraat, een universitair hoofddocent aan het College of Engineering, hebben manieren onderzocht om de prestaties en veiligheid van batterijen te verbeteren door nieuwe soorten elektroden te ontwikkelen. Deze ontdekking zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor deze inspanningen, evenals het uitbreiden van Drexel's MXene-onderzoek.

"Deze bevinding opent een enorm nieuw onderzoeksgebied:niet-waterig etsen van MXenes. We geloven dat dit werk niet alleen nuttig zal zijn voor de MXene-gemeenschap, maar ook voor onderzoekers in het veld materiaalkunde, ' zei Barsum.