Functionele oppervlaktegroepen in tweedimensionale (2-D) overgangsmetaalcarbiden kunnen veelzijdige chemische transformaties ondergaan om een ​​brede klasse van MXene-materialen mogelijk te maken. In een nieuw verslag over Wetenschap , Vladislav Kamysbajev, en een team van wetenschappers in de chemie, natuurkunde en materialen op nanoschaal aan het James Franck Institute, de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory in de VS hebben een algemene strategie geïntroduceerd om MXenen te synthetiseren. Met behulp van de methode, ze installeerden en verwijderden oppervlaktegroepen via substitutie- en eliminatiereacties in gesmolten anorganische zouten. Het team heeft met succes MXenen gesynthetiseerd met zuurstof (O), imidogeen (NH), zwavel (S), chloor (Cl), seleen (Se), bromide (Br) en tellurium (Te) oppervlakte-uiteinden. Ze ontwierpen en ontwikkelden ook kale MXenes zonder oppervlakteafsluitingen en met onderscheidende structuren en elektronische eigenschappen. De oppervlaktegroepen kunnen ook de interatomaire afstanden in het MXene-rooster regelen om oppervlaktegroepafhankelijke supergeleiding te vertonen.

Wetenschappers hebben MXenen bestudeerd voor toepassingen in supercondensatoren, batterijen, elektromagnetische interferentie afscherming en composieten. De substraten kunnen typisch worden gesynthetiseerd uit overeenkomstige MAX-fasen waarbij M staat voor het overgangsmetaal, X staat voor koolstof of stikstof, door selectief het hoofdgroepelement A te etsen, die aluminium (Al) kan bevatten, gallium (Ga), silicium (Si) en andere elementen. Onderzoekers etsen meestal in waterige waterstoffluoride (HF) -oplossingen die MXenen maken met een mengsel van fluoride (F), zuurstof (O) en hydroxide (OH) functionele groepen, gewoonlijk aangeduid als T _x . De functionele groepen kunnen ook chemisch worden gewijzigd, in tegenstelling tot de oppervlakken van andere 2D-materialen zoals grafeen en overgangsdichalcogeniden. Eerder onderzoek had aangetoond dat selectieve beëindiging van MXenen met verschillende oppervlaktegroepen kan leiden tot opmerkelijke eigenschappen, inclusief afstembare werkfuncties en 2-D ferromagnetisme. Covalente functionalisering van het substraat zal leiden tot nieuwe richtingen voor het rationeel engineeren van 2-D functionele materialen.

Door MAX-fasen in gesmolten zouten in het laboratorium te etsen, de wetenschappers elimineerden ongewenste oxidatie- en hydrolysereacties om de nieuwe MXenen te synthetiseren. Kamysbajev et al. karakteriseerde de monsters met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (STEM), Raman-spectroscopie en een combinatie van röntgenmethoden. Ze lieten zien hoe chloride (Cl ^- ) en bromide (Br ^- ) beëindigde MXenen konden efficiënt nieuwe soorten oppervlaktereacties aangaan. Het proces maakte een ongekende controle over de oppervlaktechemie mogelijk, structuur en eigenschappen van MXene-materialen. Op chloride en bromide gebaseerde MXenen met labiele (gemakkelijk te veranderen) oppervlaktebinding fungeerden als veelzijdige synthons voor extra chemische transformaties. De MXene-oppervlakte-uitwisselingsreacties vereisten temperaturen van 300 graden Celsius tot 600 graden Celsius, die moeilijk te bereiken zijn met traditionele oplosmiddelen. Het team gebruikte daarom gesmolten alkalimetaalhalogeniden in oplosmiddelen met een ongeëvenaarde stabiliteit bij hoge temperaturen en een hoge oplosbaarheid. Bijvoorbeeld, gehalogeneerde MXenen zoals Ti ₃ C ₂ Br ₂ gedispergeerd in alkalihalogeniden zoals cesiumbromide, kaliumbromide of lithiumbromide (CsBr/KBr/LiBr) zou kunnen reageren met dilithiumtelluride (Li ₂ Te) en lithiumsulfide (Li ₂ S) om MXenen te vormen met een op telluride of sulfide gebaseerde groep.

Kamysbajev et al. vervolgens gesynthetiseerd Ti ₂ CCl ₂ , Ti ₂ CBr ₂ , en Nb ₂ CCl ₂ (kortweg aangeduid als chloride-MXenen en bromide-MXenen) op basis van vergelijkbare covalente oppervlaktemodificaties. Ze voerden oppervlakte-uitwisselingsreacties uit op de MXenes om de intacte 2D-vellen te demonstreren tijdens alle stadia van transformatie. Bijvoorbeeld, tijdens reacties van bromide-MXenen met lithiumhydride bij 300 graden Celsius, het team produceerde kale MXenes met vacaturesites en beschreef het proces als een reductieve eliminatie van de hydridegroepen. Chemische transformaties van vaste stoffen worden doorgaans belemmerd door langzame diffusie om de reikwijdte van het synthetiseren van vaste stofverbindingen ernstig te beperken, daarom was het volledig uitwisselen van de oppervlaktegroepen in gestapelde MXenen een kinetisch omslachtig proces.

Om de materiële reactiviteit te begrijpen, de wetenschappers volgden de evolutie van oppervlakte-uitwisselingsreacties met behulp van Ti ₃ C ₂ kl ₂ bladen. Het ontstapelen van de MXene-platen in gesmolten zouten heeft de diffusie van ionen enorm geholpen om MXene-oppervlakken sterisch toegankelijk te maken. De van der Waals (vdW) stralen en pakkingsdichtheid van oppervlakte-atomen in het materiaal hadden een enorm effect op de roosterconstante aangeduid een . Het werk liet zien hoe de samenstelling en structuur van MXenes kon worden ontworpen met ongekende veelzijdigheid, terwijl chemische functionalisering van MXenes bijna elke eigenschap van de materialen beïnvloedde en de aard van elektronisch transport in MXenes beïnvloedde. Boven een temperatuur van 30 K, de MAX-fase en MXene-monsters vertoonden een vergelijkbare specifieke soortelijke weerstand, die afnam bij afkoeling van het monster. Het team associeerde de temperatuurafhankelijkheid met geleidbaarheid en een metallische toestand.

Kamysbajev et al. merkte een scherpe daling van de soortelijke weerstand op bij een kritische temperatuur van 6,0 K, om supergeleidende overgang in het materiaal aan te geven. Ter vergelijking, zuurstof, MXenen op basis van hydroxide en fluoride bereid via de traditionele etsroute (in waterige HF) vertoonden twee orden van grootte hogere soortelijke weerstand zonder supergeleiding te vertonen. De oxo-getermineerde MXenen vertoonden de hoogste weerstand, terwijl de seleno-getermineerde MXene de laagste soortelijke weerstand vertoonde. Op deze manier, de oppervlaktegroepen waren niet louter toeschouwers, maar actieve bijdragers aan MXene-supergeleiding, invloed op biaxiale spanning, fononfrequenties en de sterkte van de elektron-fononkoppeling in het materiaal. De MXene-uitwisselingsreacties vormen een opwindend tegenvoorbeeld van de traditionele kijk op vaste stoffen die over het algemeen als moeilijk te wijzigen worden beschouwd na de synthese. Met behulp van uitgebreide karakteriseringsstudies, Vladislav Kamysbayev en collega's lieten zien hoe chemische bindingen in een uitgebreide MXene-stapel rationeel kunnen worden ontworpen om een ​​brede klasse van functionele materialen te vormen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk