Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe methode om nieuwe gelaagde anorganische materialen te creëren

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Huang Qing van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een nieuwe manier ontwikkeld om de interne lagen van bepaalde geavanceerde materialen, MAX-fasen, in een doorbraak te “bewerken”, in een doorbraak die zou kunnen leiden tot volledig nieuwe soorten tweedimensionale (2D) gelaagde materialen met waardevolle technologisch gebruik.

Max -fasen krijgen hun naam aan hun algemene chemische formule, m_N+1BIJL_Nwaarbij M een vroege overgangsmetaal is zoals titanium, A een hoofdgroepselement zoals aluminium of silicium, en X is koolstof of stikstof. De naam is belangrijk omdat het de gelaagde structuur van deze materialen weerspiegelt: vellen van sterke metaal -koolstof/stikstoflagen verweven met meer zwak gebonden “A” -lagen. Deze gelaagde aard maakt hen veelbelovende uitgangspunten voor het produceren van 2D -materialen.

Deze 2D -materialen, die slechts enkele atomen dik zijn, trekken enorme interesse aan voor hun potentieel in toepassingen zoals batterijen, katalysatoren en afscherming tegen elektromagnetische interferentie, vanwege hun instelbare elementaire samenstellingen en oppervlakte -beëindigingen. Een bekende groep 2D-materialen, MXenen genoemd, wordt meestal gemaakt door bepaalde atomen uit Max-fasekristallen chemisch te verwijderen. Dit proces, bekend als ‘etsen’, maakt gebruik van hydrofluorzuur of Lewis-zuur gesmolten zouten om selectief metallische a-site-atomen zoals aluminium en silicium te verwijderen.

Sommige leden van de maximale fasefamilie vertonen echter sterk covalente sublayers waar niet-metalen hoofdgroepselementen (bijv. Zuurstof, zwavel, selenium en andere chalcogen; en stikstof, fosfor, arseen en andere pnictogenen) op de locatie bezetten. In deze covalente max-fasen voorkomt het naast elkaar bestaande covalente karakter van zowel M-A- als M-X-bindingen dat traditionele etsenmethoden de niet-metalen A-site-atomen verwijderen, waardoor hun conversie in 2D-mxenen wordt belemmerd.

In hun studie gepubliceerd in Natuursyntheseontdekten de onderzoekers significante verschillen in de chemische reactiviteit tussen de verschillende covalente sublagen in max -fasekristalstructuren. Door deze chemische ongelijkheid te benutten, bereikte het team selectieve structurele bewerking van zowel M – A als M – X covalente sublagen in maximale fasen, waarbij vervolgens een reeks nieuwe gelaagde anorganische materialen en 2D -nanomaterialen werden verkregen door ionenintercalatie.

De onderzoekers ontdekten dat het precies beheersen van de totale vorming-enthalpie van een goed ontworpen reactie met een gerichte sublayer de gerichte vervanging van de X-site door niet-metalen elementen mogelijk maakt (bijvoorbeeld van B tot SE, S, P en C).

Ondertussen kunnen Lewis zure kationen de oxidatietoestand van de M-element in M-X-sublagen verminderen, waardoor extra niet-metalen (bijvoorbeeld S/SE) gehechtheid wordt vergemakkelijkt. Dit maakt ook de transformatie van niet-Van der Waals max-fasen in van der Waals-gelaagde materialen mogelijk.

Met behulp van deze structurele bewerkingsstrategieën synthetiseerden de onderzoekers met succes een nieuwe klasse van 2D -materialen, die ze vroege overgangsmetaalchalcogenide carbiden/nitriden (TMXC) noemden. Deze TMXC -roosters combineren kenmerkende kenmerken van MXenen en overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s), met X -elementen waaronder C, N, B, P, S en SE.

Zowel theoretische berekeningen als experimentele resultaten tonen aan dat het bewerken van de X-element in de M-X covalente sublayer effectief de intrinsieke elektronische structuur van de maximale afgeleide 2D TMXC’s moduleert.

Dit werk pioneert een nieuwe route voor de structurele bewerking en 2D-peeling van covalente gebonden ternaire gelaagde verbindingen, met veelbelovende toepassingen in elektrochemische energieopslagapparaten en katalyse op hoge temperatuur.