Kondansatörler, piller ve kompozitlerde kullanılan 2-in inorganik malzemeleri sentezlemek için yeni bir strateji
İki boyutlu (2-D) geçiş metali karbürlerindeki yüzey fonksiyonel grupları, geniş bir MXene sınıfı sınıfını kolaylaştırmak için çok yönlü kimyasal dönüşümlere uğrayabilir.
Bilim ile ilgili yeni bir raporda Vladislav Kamysbayev ve James Franck Enstitüsü, Chicago Üniversitesi ve ABD’deki Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda kimya, fizik ve nano ölçekli malzemelerden oluşan bir bilim adamı ekibi MXenleri sentezlemek için genel bir strateji geliştirdi. Metodu kullanarak, erimiş inorganik tuzlar içindeki ikame ve eliminasyon reaksiyonları yoluyla yüzey gruplarını kurdular ve çıkardılar. Ekip, MXenleri oksijen (O), imidogen (NH), kükürt (S), klor (Cl), selenyum (Se), bromür (Br) ve tellür (Te) yüzey sonlandırmalarıyla başarıyla sentezledi. Ayrıca, yüzey sonlandırması olmayan, farklı yapıları ve elektronik özellikleri olan çıplak MXenler tasarladılar ve geliştirdiler. Yüzey grupları ayrıca yüzey grubuna bağlı süperiletkenlik sergilemek için MXene kafesindeki atomlar arası mesafeleri de kontrol edebilir.
Bilim adamları, süper kapasitörler , piller , elektromanyetik parazit koruması ve kompozitlerdeki uygulamalar için MXenler üzerinde çalışmışlardır. Substratlar tipik olarak, M’nin geçiş metali anlamına geldiği, X’in karbon veya azotu temsil ettiği, alüminyum (Al), galyum (Ga), silikon (Si) içerebilen ana grup elemanını A seçmeli olarak aşındırarak karşılık gelen MAX fazlarından sentezlenebilir. ) ve diğer öğeler. Araştırmacılar genellikle MXenleri, genellikle Tx olarak gösterilen florür (F), oksijen (O) ve hidroksit (OH) fonksiyonel gruplarının bir karışımıyla yapan sulu hidrojen florür (HF) çözeltilerinde dağlama yaparlar. Fonksiyonel gruplar ayrıca, grafen ve geçiş dikhalgenleri gibi diğer 2-D malzemelerin yüzeylerinden farklı olarak kimyasal olarak modifiye edilebilir . Önceki araştırmalar, farklı yüzey gruplarına sahip MXenlerin seçici olarak sonlandırılmasının ayarlanabilir çalışma fonksiyonları ve 2-D ferromanyetizma gibi dikkate değer özelliklere yol açabileceğini göstermiştir. Substratın kovalent fonksiyonelleştirilmesi, 2 boyutlu fonksiyonel malzemeleri rasyonel olarak oluşturmak için yeni yönlerin ortaya çıkmasına yol açacaktır.
Bilim adamları laboratuardaki erimiş tuzlarda MAX fazlarını aşındırarak, yeni MXenleri sentezlemek için istenmeyen oksidasyon ve hidroliz reaksiyonlarını ortadan kaldırdı. Kamysbayev ve diğerleri, yüksek çözünürlüklü tarama transmisyon elektron mikroskobu (STEM), Raman spektroskopisi ve X-ışını yöntemlerinin bir kombinasyonu kullanılarak örnekleri karakterize etmiştir. Klorür (Cl – ) ve bromür (Br – ) ile sonlandırılmış MXenlerin yeni tip yüzey reaksiyonlarına nasıl etkili bir şekilde katılabileceğini gösterdiler. İşlem, MXene malzemelerinin yüzey kimyası, yapısı ve özellikleri üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrole izin verdi. Kararsız (değiştirilmesi kolay) yüzey bağı olan klorür ve bromür bazlı MXenler, ilave kimyasal dönüşümler için çok yönlü synthons olarak işlev gördü. MXene yüzey değişim reaksiyonları 300 sıcaklık gerektiriyordu geleneksel çözücülerle elde edilmesi zor olan santigrat ila 600 santigrat derece. Ekip bu nedenle eşsiz yüksek sıcaklık stabilitesi ve yüksek çözünürlüğe sahip çözücülerde erimiş alkali metal halidleri kullandı. Örneğin, sezyum bromür, potasyum bromür veya lityum bromür (CsBr / KBr / LiBr) gibi alkali halojenürler içinde dağılmış Ti3C2Br2 gibi halojenli MXenler, dilityum tellür (Li2 Te) ve lityum sülfit (Li2) ile reaksiyona girebilir S) tellür veya sülfit bazlı bir grupla MXenler oluşturmak.
Kamysbayev ve diğerleri, daha sonra benzer kovalent yüzey modifikasyonlarına dayanarak Ti2 CCl2, Ti2 CBr2 ve Nb2 CCl2 (kısaca klorür-MXenler ve bromür-MXenler olarak gösterilir) sentezlendi. Dönüşümün tüm aşamalarında bozulmamış 2 boyutlu levhaları göstermek için MXenler üzerinde yüzey değişim reaksiyonları gerçekleştirdiler. Örneğin, bromür-MXenlerin lityum hidrit ile 300 santigrat derecede reaksiyonları sırasında, ekip boş yerlere sahip çıplak MXenler üretti ve işlemi hidrit gruplarının indirgeyici bir eliminasyonu olarak tarif etti. Katıların kimyasal dönüşümleri, katı hal bileşiklerinin sentezlenme kapsamını ciddi şekilde sınırlamak için tipik olarak yavaş difüzyonla engellenir, bu nedenle yığılmış MXenlerde yüzey gruplarının tamamen değiştirilmesi, kinetik olarak hantal bir işlemdi.
Malzeme reaktivitesini anlamak için, bilim adamları Ti 3 C2Cl2 tabakaları kullanarak yüzey değişim reaksiyonlarının evrimini izlediler. MXene tabakalarının erimiş tuzlarda çözülmesi, MXene yüzeylerinin steril olarak erişilebilir olmasını sağlamak için iyonların difüzyonuna büyük ölçüde yardımcı oldu. Van der Waals (vdW) yarıçapları ve malzemedeki yüzey atomlarının paketleme yoğunluğu a ile gösterilen kafes sabiti üzerinde büyük bir etkiye sahipti. Çalışma, MXenlerin bileşiminin ve yapısının daha önce benzeri görülmemiş çok yönlülükle nasıl tasarlanabileceğini gösterdi; MXenlerin kimyasal işlevselliği, malzemelerin neredeyse her özelliğini etkiledi ve MXenes’te elektronik ulaşımın doğasını etkiledi. 30 K sıcaklığın üzerinde, MAX fazı ve MXene numuneleri, numunenin soğutulması üzerine azalan benzer özgül direnç gösterdi. Ekip, sıcaklık bağımlılığını iletkenlik ve metalik bir durumla ilişkilendirdi.
Kamysbayev ve diğ. malzemedeki süperiletken geçişi göstermek için 6.0 K kritik sıcaklıkta keskin bir direnç direncine dikkat çekti. Karşılaştırmalı olarak, geleneksel dağlama yolu (sulu HF içinde) ile hazırlanan oksijen, hidroksit ve florür bazlı MXenler, süper iletkenlik sergilemeden iki büyüklükte daha yüksek direnç göstermişlerdir. Okso-terminli MXenler en yüksek özdirenç gösterirken, seleno-terminli MXen en düşük özdirenç göstermiştir. Bu şekilde, yüzey grupları sadece izleyici değil, eksenli gerilme, fonon frekansları ve malzemedeki elektron-fonon bağlantısının gücünü etkileyen MXene süperiletkenliğine aktif katkıda bulunmuştur. MXene değişim reaksiyonları, genellikle sentez sonrası modifikasyonu zor kabul edilen katıların geleneksel görüşüne karşı heyecan verici bir karşı örneği temsil eder. Kapsamlı karakterizasyon çalışmaları kullanarak, Vladislav Kamysbayev ve arkadaşları genişletilmiş bir MXene yığını içindeki kimyasal bağların geniş bir fonksiyonel malzeme sınıfı oluşturmak için rasyonel olarak nasıl tasarlanabileceğini gösterdiler.