Knipperen zorgt voor moeilijk te krijgen 2D boornitride

Wetenschappers van Rice University die materialen “flitsen” om stoffen zoals grafeen te synthetiseren, hebben hun aandacht gericht op boornitride, dat zeer wordt gewaardeerd om zijn thermische en chemische stabiliteit.

Het proces van het Rice-lab van chemicus James Tour stelt een voorloper bloot aan snelle verwarming en koeling om tweedimensionale materialen te produceren, in dit geval puur boornitride en boorkoolstofnitride. Beide waren tot nu toe moeilijk in bulk te maken en bijna onmogelijk om in gemakkelijk oplosbare vorm te produceren.

Het rapport van het lab in Geavanceerde materialen beschrijft hoe flash Joule-verwarming, een techniek die in 2020 door het Tour-lab is geïntroduceerd, kan worden afgestemd om gezuiverde, microscopisch kleine vlokken boornitride te bereiden met verschillende gradaties van koolstof.

Experimenten met het materiaal toonden aan dat boornitridevlokken kunnen worden gebruikt als onderdeel van een krachtige corrosiewerende coating.

“Boornitride is een zeer gewild 2D-materiaal,” zei Tour. “Om het in bulk te kunnen maken, en nu met gemengde hoeveelheden koolstof, maakt het nog veelzijdiger.”

Op nanoschaal komt boornitride in verschillende vormen voor, waaronder een hexagonale configuratie die lijkt op grafeen, maar met afwisselende boor- en stikstofatomen in plaats van koolstof. Boornitride is zacht, dus het wordt vaak gebruikt als smeermiddel en als toevoeging aan cosmetica, en wordt ook aangetroffen in keramiek en metaalverbindingen om hun vermogen om hoge hitte te hanteren te verbeteren.

Rijst chemisch ingenieur Michael Wong meldde onlangs dat boornitride een effectieve katalysator is bij het vernietigen van PFAS, een gevaarlijke “voor altijd chemische stof” die in het milieu en bij mensen wordt aangetroffen.

Flash Joule-verwarming houdt in dat bronmaterialen tussen twee elektroden in een buis worden gestopt en er een snelle stroomstoot doorheen wordt gestuurd. Voor grafeen kunnen de materialen zowat alles zijn dat koolstof bevat, met voedselverspilling en gebruikte plastic auto-onderdelen zijn slechts twee voorbeelden. Het proces heeft ook met succes zeldzame aardelementen geïsoleerd uit steenkoolvliegas en andere grondstoffen.

In experimenten onder leiding van Rice afgestudeerde student Weiyin Chen, voedde het laboratorium ammoniakboraan (BH₃NH₃) in de flitskamer met variërende hoeveelheden roet, afhankelijk van het gewenste product. Het monster werd vervolgens tweemaal geflitst, eerst met 200 volt om het monster van vreemde elementen te ontgassen en opnieuw met 150 volt om het proces te voltooien, met een totale flitstijd van minder dan een seconde.

Microscoopafbeeldingen toonden aan dat de vlokken turbostratisch zijn – dat wil zeggen, niet goed uitgelijnd als slecht gestapelde platen – met verzwakte interacties daartussen. Daardoor zijn de vlokken gemakkelijk te scheiden.

Ze zijn ook gemakkelijk oplosbaar, wat leidde tot de anticorrosie-experimenten. Het laboratorium mengde flitsboornitride met polyvinylalcohol (PVA), schilderde de verbinding op koperfilm en stelde het oppervlak bloot aan elektrochemische oxidatie in een bad van zwavelzuur.

De geflitste verbinding bleek meer dan 92% beter in het beschermen van het koper dan PVA alleen of een vergelijkbare verbinding met commercieel hexagonaal boornitride. Microscopische beelden toonden aan dat de verbinding “kronkelige diffusieroutes voor corrosieve elektrolyten” creëerde om het koper te bereiken, en ook verhinderde dat metaalionen migreerden.

Chen zei dat de geleidbaarheid van de voorloper niet alleen kan worden aangepast door koolstof toe te voegen, maar ook met ijzer of wolfraam.

Hij zei dat het lab potentieel ziet voor het flitsen van extra materialen. “Voorlopers die in andere methoden zijn gebruikt, zoals hydrothermische en chemische dampafzetting, kunnen in onze flash-methode worden geprobeerd om te zien of we meer producten met metastabiele kenmerken kunnen bereiden,” zei Chen. “We hebben flitsende metastabiele fasemetaalcarbiden en overgangsmetaaldichalcogeniden aangetoond, en dit deel is meer onderzoek waard.”