Een methode voor het chemisch aanpassen van gelaagde nanomaterialen

Een nieuw proces waarmee wetenschappers nanoscopische lagen van tweedimensionale materialen chemisch uit elkaar kunnen knippen en aan elkaar kunnen naaien – zoals een kleermaker een pak aanpast – zou wel eens het hulpmiddel kunnen zijn voor het ontwerpen van de technologie van een duurzame energietoekomst. Onderzoekers van de Universiteit van Drexel, China en Zweden hebben een methode ontwikkeld voor het structureel splitsen, bewerken en opnieuw samenstellen van gelaagde materialen, genaamd MAX-fasen en MXenes, met het potentieel om nieuwe materialen te produceren met zeer ongebruikelijke composities en uitzonderlijke eigenschappen.

Een “chemische schaar” is een chemische stof die is ontworpen om te reageren met een specifieke verbinding om een ​​chemische binding te verbreken. De originele chemische schaar, ontworpen om koolstof-waterstofbindingen in organische moleculen te verbreken, werd meer dan tien jaar geleden gerapporteerd.

In een artikel dat onlangs verscheen in Wetenschaprapporteerde het internationale team over een methode om de schaar te slijpen, zodat ze door extreem sterke en stabiele gelaagde nanomaterialen kunnen snijden op een manier die atomaire bindingen binnen een enkel atomair vlak verbreekt, en vervolgens nieuwe elementen vervangt – waardoor de samenstelling van het materiaal fundamenteel verandert in een enkele chemische “knip”.

“Dit onderzoek opent een nieuw tijdperk van materiaalwetenschap, waardoor atomistische engineering van tweedimensionale en gelaagde materialen mogelijk wordt”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University professor en Bach-leerstoel aan Drexel’s College of Engineering, die een auteur was van de onderzoek. “We laten een manier zien om deze materialen zoals LEGO-blokken in elkaar te zetten en uit elkaar te halen, wat zal leiden tot de ontwikkeling van opwindende nieuwe materialen waarvan tot nu toe niet eens was voorspeld dat ze zouden kunnen bestaan.”

Gogotsi en zijn medewerkers bij Drexel hebben de eigenschappen bestudeerd van een familie van gelaagde nanomaterialen genaamd MXenes, die ze in 2011 ontdekten. MXenes beginnen als een voorlopermateriaal dat een MAX-fase wordt genoemd; “MAX” is een chemische samenvoeging die de drie lagen van het materiaal betekent: M, A en X. Door een sterk zuur op de MAX-fase aan te brengen, wordt de A-laag chemisch weggeëtst, waardoor een meer poreus gelaagd materiaal ontstaat – met een A-loze naam : MXeen.

De ontdekking kwam op de hielen van wereldwijde opwinding over een tweedimensionaal nanomateriaal genaamd grafeen, geponeerd als het sterkste materiaal dat bestaat toen het team van onderzoekers dat het ontdekte de Nobelprijs won in 2010. De ontdekking van grafeen breidde de zoektocht naar andere atomair dunne materialen met buitengewone eigenschappen, zoals MXenen.

Het team van Drexel heeft ijverig de eigenschappen van MXene-materialen onderzocht, wat heeft geleid tot ontdekkingen over onder andere de uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid, duurzaamheid en het vermogen om chemische verbindingen aan te trekken en te filteren. Maar in sommige opzichten is het potentieel voor MXenes vanaf het begin beperkt door de manier waarop ze worden geproduceerd en de beperkte set MAX-fasen en etsmiddelen die kunnen worden gebruikt om ze te maken.

“Voorheen konden we alleen nieuwe MXenen produceren door de chemie van de MAX-fase of het zuur dat werd gebruikt om het te etsen aan te passen, ” zei Gogotsi. “Hoewel we hierdoor tientallen MXenes konden maken en voorspelden dat er nog vele tientallen zouden kunnen worden gemaakt, stond het proces niet veel controle of precisie toe.”

Het proces dat het team, onder leiding van Gogotsi en Qing Huang, Ph.D., een professor aan de Chinese Academie van Wetenschappen, rapporteerde in zijn Wetenschap paper legt uit dat “chemische schaar-gemedieerde structurele bewerking van gelaagde overgangsmetaalcarbiden” meer lijkt op het uitvoeren van een operatie, volgens Gogotsi.

De eerste stap is het gebruik van een Lewis acidic gesmolten zout (LAMS) etsprotocol dat zoals gewoonlijk de A-laag verwijdert, maar deze ook kan vervangen door een ander element, zoals chloor. Dit is belangrijk omdat het het materiaal in een zodanige chemische toestand brengt dat de lagen uit elkaar kunnen worden gesneden met behulp van een tweede set chemische scharen, samengesteld uit een metaal, zoals zink.

Deze lagen zijn de grondstoffen van MAX-fasen, wat inhoudt dat de toevoeging van een beetje chemische “mortel” – een proces dat intercalatie wordt genoemd – het team in staat stelt hun eigen MAX-fasen te bouwen, die vervolgens kunnen worden gebruikt om nieuwe MXenes te maken, op maat gemaakt om te verbeteren specifieke eigenschappen.

“Dit proces is als het maken van een chirurgische snede van de MAX-structuur, het uit elkaar halen van de lagen en het vervolgens reconstrueren met nieuwe en verschillende metaallagen,” zei Gogotsi. “Behalve dat we nieuwe en ongebruikelijke chemieën kunnen produceren, wat fundamenteel interessant is, kunnen we ook nieuwe en verschillende MAX-fasen maken en deze gebruiken om MXenen te produceren die zijn afgestemd op het optimaliseren van verschillende eigenschappen.”

Naast het bouwen van nieuwe MAX-fasen, rapporteerde het team ook over het gebruik van de methode om MXenes te maken die nieuwe “gastatomen” kunnen hosten die het voorheen chemisch niet zou kunnen herbergen – waardoor de familie van MXene-materialen verder wordt uitgebreid.

“We verwachten dat dit werk zal leiden tot een grote uitbreiding van de toch al zeer grote ruimte van gelaagde en tweedimensionale materialen,” zei Gogotsi. “Nieuwe MXenen die niet kunnen worden geproduceerd uit conventionele MAX-voorlopers worden mogelijk. Natuurlijk wordt verwacht dat nieuwe materialen met een ongebruikelijke structuur en eigenschappen nieuwe technologieën mogelijk maken.”

De volgende stap voor dit onderzoek, volgens Gogotsi, is de delaminatie van twee- en driedimensionale gelaagde carbiden, evenals met metaal geïntercaleerde tweedimensionale carbiden, in enkel- en enkellaagse nanosheets. Hierdoor kunnen de onderzoekers hun fundamentele eigenschappen karakteriseren om de nieuwe materialen te optimaliseren voor gebruik in energieopslag, elektronica en andere toepassingen.