18.03.2020 - Drexel University

Wasserfreier Weg zur Herstellung von MXenen

Entdeckung könnte neue Anwendungen für die vielversprechenden Nanomaterialien bedeuten

Zehn Jahre nach der Herstellung des ersten Musters der inzwischen weit verbreiteten Familie von Nanomaterialien, genannt MXenes, haben Forscher der Drexel Universität eine andere Art und Weise entdeckt, das atomdünne Material herzustellen, das eine Reihe neuer Anwendungsmöglichkeiten bietet. Die neue Entdeckung entfernt Wasser aus dem MXene-Herstellungsprozess, was bedeutet, dass die Materialien in Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen Wasser eine Verunreinigung darstellt oder die Leistung beeinträchtigt, wie z.B. bei Batterieelektroden und Solarzellen der nächsten Generation.

Die Entdeckung, über die vor kurzem in der Zeitschrift Chem berichtet wurde, bietet ein neues Rezept für die chemische Ätzlösung, die Schichten aus einem keramischen Vorläufermaterial, genannt MAX-Phase, herausschneidet, um das zweidimensionale Schichtmaterial MXene zu erzeugen.

"Wasser wurde in den MXen-Herstellungsprozessen zur Verdünnung der Ätzsäure und als Lösungsmittel zur Neutralisierung der Reaktion verwendet, aber es ist nicht immer wünschenswert, Spuren davon im Endprodukt zu haben", sagte Michel Barsoum, PhD, Distinguished Professor an der Drexel's College of Engineering. "Wir arbeiten schon seit einiger Zeit an der Erforschung anderer Ätzmittel für die MAX P-Phase und haben jetzt genau die richtige Kombination von Chemikalien dafür gefunden.

MXenes hat in letzter Zeit als vielseitiges, haltbares, leitfähiges Material Aufmerksamkeit erregt, das eines Tages die Energiespeichertechnologie verbessern, funktionelle Textilien ermöglichen und die Telekommunikation verbessern könnte.

Normalerweise werden sie mit einer konzentrierten Säure hergestellt, um atomare Schichten aus einem Material der MAX-Phase abzutrennen, und dann mit Wasser gewaschen - dabei bleiben Flocken des 2D-Schichtmaterials zurück, die sich zu dünnen Filmen für Mikrochips und Batterieelektroden pressen lassen oder zum Sprühen von Antennen und zur Beschichtung von Geräten verwendet werden, um elektromagnetische Interferenzen zu blockieren.

Der von Barsoum und seinen Kollegen berichtete Prozess verwendet ein organisches Lösungsmittel und Ammoniumdihydrogenfluorid - eine Chemikalie, die üblicherweise zum Ätzen von Glas verwendet wird - um die MAX-Phase zu ätzen. Diese Lösung führt die Ätzung durch, zum Teil weil sie sich in Flusssäure aufspaltet, aber es ist kein Wasser erforderlich, um sie zu verdünnen oder die Nebenprodukte des Ätzprozesses abzuwaschen.

Durch die Herstellung von MXenen auf diese Weise wird ihre innere chemische Struktur so verändert, dass sie sich besser für die Verwendung in einigen Arten von Batterien und Solarzellen eignet - wo Wasser die chemischen Reaktionen verlangsamen könnte, die Energie speichern und/oder umwandeln oder in einigen Fällen sogar Korrosion verursachen.

"MXenes haben ein enormes Potential zur Verbesserung von Energiespeichern gezeigt, aber diese Entdeckung macht sie noch vielversprechender", sagte Varun Natu, ein Doktorand an Drexels College of Engineering und Erstautor der Arbeit. "Es ist bekannt, dass schon die geringste Anwesenheit von Wasser in Lithium- oder Natriumionenbatterien, die organische Elektrolyte verwenden, ihre Leistung beeinträchtigen kann. In dieser Arbeit zeigen wir, dass in Propylencarbonat synthetisierte MXen-Filme - wenn sie als Anoden in einer Natriumionenbatterie getestet werden - fast die doppelte Kapazität derselben Zusammensetzung aufweisen, die in Wasser geätzt wird. Darüber hinaus können MXene jetzt leicht in Materialien integriert werden, die sich in Wasser abbauen, wie bestimmte Polymere, Quantenpunkte und Perowskite".

Neben einer besseren Ausstattung mit MXenen für diese und andere noch zu untersuchende Anwendungen ermöglicht das neue Verfahren auch die Rückgewinnung und Wiederverwendung der Ätzlösung. Dies könnte sich als wertvoll erweisen, wenn Forscher und Unternehmen nach der effizientesten Möglichkeit suchen, den Produktionsprozess zu vergrößern.

An dieser Arbeit beteiligte Forscher, darunter Vibha Kalra, PhD, eine außerordentliche Professorin an der Technischen Hochschule, haben Möglichkeiten zur Verbesserung der Batterieleistung und -sicherheit durch die Entwicklung neuer Arten von Elektroden untersucht. Diese Entdeckung könnte neue Optionen in diese Bemühungen einbringen und Drexels MXene-Forschungsarbeit erweitern.

"Diese Erkenntnis eröffnet ein riesiges neues Forschungsgebiet: Das nicht-wässrige Ätzen von MXenen. Wir glauben, dass sich diese Arbeit nicht nur für die MXene-Gemeinschaft, sondern auch für Forscher im gesamten Bereich der Materialwissenschaft als nützlich erweisen wird", so Barsoum.

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