CEST-onderzoekers hebben nieuwe inzichten/resultaten ontdekt over oppervlaktefunctionalisering van materialen die in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, zoals energieopslag, biochemie, voelen, en energieproductie

In hun laatste publicatie, onderzoekers van de CEST-groep hebben een computationeel onderzoek uitgevoerd naar de oppervlaktesamenstelling van verschillende materialen van het MXene-type. De onderzoekers onderzochten verschillende oppervlaktechemie en de veranderingen die werden bijgedragen door verschillende overgangsmetalen, evenals een ander aantal atomaire lagen. MXenen vinden toepassing in batterijen, supercondensatoren, elektromagnetische afscherming en oppervlaktesensoren.

MXenen zijn tweedimensionale (2D) overgangsmetaalcarbiden en nitriden die behoren tot een grote klasse van 2D-materialen met buitengewone elektronische, optisch, mechanisch, thermisch, en katalytische eigenschappen. Deze materialen hebben de algemene samenstelling M_(n+1)X_n, waarbij M een overgangsmetaal is en X een koolstof- of stikstofatoom, waarbij n overeenkomt met atomaire dikte. Een belangrijk kenmerk van MXenes is dat hun oppervlakte-eigenschappen kunnen worden gewijzigd door de samenstelling van functionele groepen zoals -O, -F, en -OH. Hoewel een verscheidenheid aan MXene-materiaaleigenschappen wordt toegeschreven aan hun oppervlaktesamenstelling en dus functionalisering, de eigenlijke structuur, samenstelling en functionaliteit van deze oppervlakken blijven in het echte leven vaak onbekend.

In hun huidige studie Rina Ibragimova en collega's pasten een multi-schaal rekenschema toe dat resulteerde in een realistische verdeling van organische moleculen op het oppervlak van verschillende MXenen. In aanvulling, dit model was in staat om trends in de distributie en samenstelling van functionele oppervlaktegroepen aan te tonen. De onderzoekers ontdekten dat de verdeling van deze functionele groepen grotendeels onafhankelijk lijkt te zijn van het type metaal, koolstof, of stikstof die in het materiaal wordt gebruikt, evenals van het aantal atomaire lagen. In plaats daarvan, de groep toont voor het eerst aan dat de verdeling van deze adsorbanten wordt bepaald door de elektrostatische aard van interacties tussen de moleculen, en minder door chemische interacties binnenin de MXene-lagen. Ibragimova heeft ook met succes de vorming van gemengde functionele groepen op het oppervlak aangetoond en een reeks evenwichtssamenstellingen onderzocht die geschikt zijn voor een reeks experimentele omstandigheden (pH, potentieel, en temperatuur).

Daarbij, de onderzoekers bereikten een goed begrip van MXene-oppervlakfunctionalisatie, inclusief hoe dit oppervlak kan worden gewijzigd onder gecontroleerde experimentele omstandigheden en hoe dit op zijn beurt elektronische en andere eigenschappen beïnvloedt. Deze resultaten stellen experimentatoren nu in staat om de samenstelling van functionele groepen onder bepaalde synthesecondities beter in te schatten en deze aan te passen aan hun behoeften.

Ibragimova wil nu andere aspecten van het oppervlakteontwerp van MXenes onderzoeken. Dat omvat studies van de vorming van natieve defecten in deze materialen en hun relatie met de oppervlaktefunctionalisering.

Het artikel is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters