Mxene -productie gaat groen: elektriciteit vervangt giftig zuur

Het nanomateriaal MXene wordt gebruikt voor batterijtechnologie of als een hoogwaardige smeermiddel. Tot nu toe was de productie moeilijk en giftig. Nieuwe methoden voor het creëren ervan zijn ontwikkeld bij Tu Wien.

Het is een van de belangrijkste trends in materiaalwetenschappen: materialen die bestaan ​​uit slechts een enkele laag atomen, zogenaamde “2D-materialen”, vertonen vaak volledig verschillende eigenschappen dan dikkere lagen bestaande uit dezelfde atomen. Dit onderzoeksgebied begon met het Nobelprijswinnende materiaalgrafeen.

Nu wordt onderzoek uitgevoerd naar de materiële klasse van MXenen (uitgesproken maxenen), die voornamelijk bestaan ​​uit titanium en koolstof, door Tu Wien (Wenen) samen met de bedrijven CEST en AC2T.

Deze mxenen hebben eigenschappen die bijna wonderbaarlijk klinken: ze kunnen worden gebruikt voor elektromagnetische afscherming, voor energieopslag of voor nieuwe sensoren. Bij Tu Wien bleek dat ze ook ongelooflijk geschikt zijn als solide smeermiddelen, zelfs onder de zwaarste omstandigheden, bijvoorbeeld in ruimtetechnologie.

Het enige probleem tot nu toe is dat het produceren van deze mxenen als extreem gevaarlijk en giftig werd beschouwd. Maar nu is een nieuwe methode ontwikkeld: in plaats van een giftig zuur wordt elektriciteit gebruikt. De nieuwe synthesemethode is nu geweest gepubliceerd in het dagboek Klein.

Geen giftig waterstofzuur

“Om mxenen te produceren, heb je eerst zogenaamde max-fasen nodig. Dit zijn materialen die bijvoorbeeld kunnen bestaan ​​uit lagen van aluminium, titanium en koolstof”, legt Pierluigi Bilotto uit de onderzoekseenheid van de tribologie van de Tribology van Tribology bij het Institute of Engineering Design and Product Development bij Tu Wien.

“Tot nu toe werd hydrofluorzuur gebruikt om het aluminium in het maximum weg te etsen, wat vervolgens resulteerde in een systeem van atomisch dunne lagen die tegen elkaar kunnen glijden met zeer weinig weerstand. Dit maakt deze Mxenen een groot smeermiddel.”

Maar het hanteren van hydrofluorzuur is geen gemakkelijke taak. Het is giftig en schadelijk voor het milieu, en er zijn strikte voorschriften voor het omgaan met deze chemische stof. U hebt er speciale, dure laboratoriumapparatuur voor nodig en u krijgt afvalproducten die op een kostbare manier moeten worden verwijderd.

“Dit is de reden waarom MXenes nog geen grote doorbraak in de industrie heeft gemaakt”, zegt Bilotto. “Het is moeilijk om zo’n proces op industriële schaal op te bouwen, en veel bedrijven schuwen begrijpelijkerwijs om deze stap te zetten.”

Dus ging Bilotto op zoek naar een betere methode – bij elkaar met Prof. Carsten Gachot en Prof. Markus Valtiner van Tu Wien, Dr. Markus Ostermann uit Cest in Wiener Neustadt, Marko PjlieVic van AC2T en anderen.

Elektrochemie

“Elektrochemie biedt een alternatieve route om de aluminium bindingen in de maximale fase te verbreken”, zegt Bilotto. “Wanneer een elektrische spanning wordt toegepast, ervaart de MAX-fase een elektrische stroom die reacties op zijn interfaces initieert. Door de spanning precies te selecteren, kunnen we de reacties afstemmen op een manier dat alleen aluminiumatomen worden verwijderd, waardoor elektrochemische mxenen (EC-MXenen) worden verwijderd.”

Het team ontdekte dat een zeer specifieke elektrochemische techniek kan worden gebruikt om de elektrochemische etsen en de algehele kwaliteit van EC-mxene te verbeteren: goed gedoseerde stroompulsen. Hoewel de reactiviteit van het oppervlak vaak snel daalt met andere methoden, zorgen korte stroompulsen ervoor dat kleine waterstofbellen zich vormen op de maximale fasematerialen, het reinigen en reactiveren van het oppervlak. Hierdoor kan de elektrochemische reactie langere tijd worden opgehouden en een grote hoeveelheid EC-MXenen kan worden geproduceerd.

Het verkregen product werd vervolgens geanalyseerd met geavanceerde technieken zoals atomaire krachtmicroscopie, scanning en transmissie-elektronenmicroscopie, Raman en röntgenfoto-elektronspectroscopie en lage energie-ionenverstrooiing. De eigenschappen zijn minstens zo goed als die van MXenen die eerder werden geproduceerd met behulp van hydrofluorzuur.

“Mijn doel is om de synthese van Mxene uiterst eenvoudig te maken. Het zou in elke keuken mogelijk moeten zijn”, zegt Bilotto. “En daar zijn we heel dicht bij.”