MXenes, впервые обнаруженные в 2011 году, представляют собой керамику, составляющую одно из самых больших семейств двумерных (2D) материалов.
MXenes сделаны из объемного кристалла под названием MAX. 2D слоистые материалы полученны из фаз MAX. Ранее, до совершения открытия, не предполагалось их существование. В отличие от большинства 2D-керамики, MXenes обладают хорошей проводимостью и превосходной объемной емкостью, поскольку они представляют собой молекулярные листы, изготовленные из карбидов и нитридов переходных металлов, таких как титан. MXenes уже нашли применение, начиная от накопления энергии до медицины и оптоэлектроники.
Что делает MXenes настолько интересным, так это тот факт, что этот класс материалов может состоять из миллионов возможных соединений переходных металлов (таких как молибден или титан), углерод и азот. Хитрость заключается в том, чтобы найти те, которые являются стабильными.
Используя высокопроизводительную вычислительную платформу и сканируя по энергиям образования миллионов легирующих конфигураций, исследователи подсчитали, что предстоит обнаружить более миллиона стабильных соединений MXene.
MAX фазы
Существует большое семейство тройных карбидов ( троичное - это прилагательное, означающее «состоит из трех») с общей формулой M n + 1 AX n , где n = 1–3, M обозначает переходный металл, A представляет собой такой элемент, как алюминий или кремний, а Х представляет собой углерод или азот. Исследователи назвали эти пластичные и пригодные для обработки керамики фазы MAX .
Вследствие их слоистой структуры эти материалы деформируются и расслаиваются во время деформации, а также проявляют необычную, а иногда и уникальную комбинацию свойств. Становится уже непонятно: это металлы или керамика.Хотя они проводят тепло и электричество как металлы, но они также упруго жесткие, прочные, хрупкие и устойчивые к нагреванию, как керамика. Они устойчивы к химическому воздействию, легко поддаются механической обработке, термическому удару, устойчивы к повреждениям, а иногда и окислению.
MXene discovery
Известно, что двумерные (2D) структуры, такие как графен и дисульфид молибдена, обладают уникальными свойствами. Поэтому, имея новое семейство 2D структур с широким спектром химии, можно иметь возможность лучшего понимания различий между свойствами 2D и 3D материалами, а также привести к идентификации полезных свойств 2D карбидов, нитридов, оксикарбидов и других связанных структур, и, наконец, привести к новым приложениям.
Однако эта керамика всегда производилась в виде трехмерных материалов, пока исследователи не поместили порошки титана-карбида алюминия (Ti 3 AlC 2 ) в плавиковую кислоту при комнатной температуре для селективного удаления алюминия. В результате этого химического процесса, называемого отслаиванием, по существу распределяется слоистый карбидный материал и образуются двумерные нанолистки Ti 3 C 2 , которые с тех пор известны как MXene , в качестве родственного графена.
В 2011 году исследователи впервые продемонстрировали эту способность превращать трехмерный карбид титана-алюминия, типичный представитель MAX-фаз, в двумерную структуру с очень разными свойствами.
Как сделать MXene
MXenes создаются путем выборочного удаления алюминия из слоистых фаз MAX. В процессе отслаивания карбидные слои разделяются на два листа MXene толщиной всего в несколько атомов. MXenes могут размещать различные ионы и молекулы между их слоями с помощью процесса, известного как интеркаляция, который иногда является необходимым шагом для использования уникальных свойств материалов.
Например, было показано, что размещение ионов лития между листами MXene делает их перспективными материалами как для ионно-литиевых батарей, так и для электрохимических конденсаторов.
Для синтеза отдельно стоящих хлопьев MXene исследовательская группа из Университета Дрексел с 2011 года усовершенствовала свою первоначальную технику, используя кислоту, которую они назвали минимально интенсивным расслоением слоя (MILD). Они обработали основную массу MAX травителем из фторидной соли и соляной кислоты, чтобы выборочно удалить нежелательные слои алюминия между слоями карбида титана.
Затем они вручную встряхнули травленый материал, чтобы отделить и собрать слои карбида титана. Каждый слой имеет толщину пять атомов и состоит из атомов углерода, связывающих три титановых листа. Травление и отшелушивание MAX дает множество таких отдельно стоящих слоев MXene. Этот относительно простой метод может использоваться и в масштабе производства.
С тех пор продолжающиеся исследования показали их исключительную способность накапливать энергию, блокировать электромагнитные помехи, очищать воду и даже защищать от бактерий. И, как показывают недавние исследования, MXenes также очень долговечны, это самый прочный материал в своем роде.
MXene использует и приложения
MXene можно использовать в устройствах накопления энергии, таких как электроды литий-ионных аккумуляторов, псевдо-конденсаторы и т. д. Исследователи также предполагают его использование в качестве усиления в композитах, аналогичных глинам или графену, которые повышают механические свойства и уменьшают газопроницаемость полимеров. Наличие оксидов переходных металлов и большая площадь поверхности делают MXene потенциально привлекательным для каталитических применений.
Опреснение и очистка сточных вод
Замечательные свойства материалов открывают новые возможности для MXenes в опреснении воды и очистке сточных вод . Этот вывод следует из результатов: Ti 3 C 2 может улавливать энергию солнечного света для очистки воды путем испарения с энергетической эффективностью.
Чтобы исследовать возможности MXene в области очистки воды, исследователи изготовили тонкую и гибкую мембрану из Ti 3 C 2, включающую полистирольный тепловой барьер для предотвращения выхода тепловой энергии. Это создало систему, которая могла плавать на воде и испарять часть воды с эффективностью 84% при уровне освещенности естественного солнечного света.
Аккумуляторная техника и накопление энергии
Вычислительные исследования показали, что полное отшелушивание или расслаивание некоторых MXenes приведет к образованию слоев с исключительной емкостью заряда для использования в анодах батареи. В одном отчете ученые продемонстрировали успешное взаимодействие MXenes с несколькими органическими молекулами, включая диметилсульфоксид (DMSO), что позволило им полностью отслоить сложенные слои в листы MXene и в конечном итоге создать MXene "бумагу" путем фильтрации хлопьев из раствора.
Эта гибкая и электропроводящая бумага показала, что литий-ионная емкость в четыре раза выше, чем у типичного материала MXene, с чрезвычайно высокими скоростями зарядки и циклической способностью, превосходящей графит, который используется в коммерческих литий-ионных батареях. Критически, эта работа демонстрирует, что такой материал может быть синтезирован в больших масштабах.
Исследователи также разработали новые конструкции электродов с материалом MXene , которые позволят батареям заряжаться намного быстрее. Их конструкция могла бы сделать такие устройства накопления энергии, как аккумуляторы, рассматриваемыми как разгрузочная автоцистерна с технологией накопления энергии. При этом, столь же быстрыми, как и быстрые суперконденсаторы, которые используются для подачи энергии. В крайнем случае в качестве резервной батареи или для быстрой зарядки энергии для таких случаев, как вспышки камеры.
Трибоэлектрические наногенераторы
Исследователи продемонстрировали, что MXenes можно использовать для сбора потерянной энергии трения,например, от сокращения мышц во время набора текста или ходьбы. Гены обладают высокой электропроводностью и способностью поглощать электроны при контакте с полимерами и другими материалами.
Эта необычная комбинация свойств делает их полезными в качестве компонентов для трибоэлектрических наногенераторов (TENG), которые превращают движения мышц в электроэнергию. Исследования показывают, что эти передовые материалы могут быть встроены в мобильные телефоны, портативную электронику, носимые устройства и ноутбуки, что в конечном итоге сделает их автономными.
Проводящие покрытия
MXenes были использованы для разработки механически прочного проводящего покрытия, которое может сохранять характеристики при сильном растяжении и изгибе. В этом исследовании учитывался тот факт, что многослойные покрытия MXene могут претерпевать крупномасштабные механические деформации при сохранении высокого уровня проводимости. Исследователи также успешно наносили многослойные покрытия MXene на гибкий полимерный лист, эластичные силиконы, нейлоновое волокно, стекло и кремний.
