"Чудо-материал" становится реальностью: разработан безопасный способ производства MXenes

Изображение Patt Vielma с сайта Pexels

Команда ученых из Венского технического университета (TU Wien) в сотрудничестве с CEST и AC2T совершила прорыв в производстве MXenes – перспективного двумерного материала, состоящего в основном из титана и углерода. Разработанный ими метод не только безопаснее, но и значительно упрощает крупномасштабное производство этого "чудо-материала".

MXenes – это материалы, состоящие из слоев толщиной всего в один атом. Такая структура придает им уникальные свойства, отличные от обычных материалов. Они рассматриваются как перспективные компоненты для батарей нового поколения, датчиков, электромагнитного экранирования и даже как твердые смазки для использования в космосе. Благодаря своим выдающимся характеристикам, MXenes часто называют "чудо-материалом".

Почему традиционное производство MXenes было проблемой?

"Для получения MXenes необходимы так называемые MAX-фазы – материалы, состоящие, например, из слоев алюминия, титана и углерода", – объясняет Пьерлуиджи Билотто из Венского технического университета. "До недавнего времени для удаления алюминия из MAX-фаз использовалась плавиковая кислота. Этот процесс позволял получить структуру из атомарно тонких слоев, которые легко скользят относительно друг друга, что делает MXenes отличной смазкой".

Однако плавиковая кислота – вещество крайне токсичное и опасное в обращении. К тому же, она оставляет после себя трудно утилизируемые отходы. "Именно поэтому MXenes до сих пор не получили широкого распространения в промышленности", – отмечает Билотто. "Масштабирование такого процесса до промышленных объемов – задача непростая, и многие компании обоснованно избегают этого".

Новый, безопасный метод производства

В качестве альтернативы ученые разработали метод, использующий электричество и более безопасный химический состав: тетрафторборат натрия и соляную кислоту (NaBF₄/HCl). Вместо постоянного электрического тока они применяли короткие импульсы напряжения (катодное импульсирование). Эти импульсы создают микроскопические пузырьки водорода, которые поддерживают активность поверхности материала, тем самым повышая эффективность и непрерывность процесса удаления алюминия.

"Электрохимия предлагает альтернативный путь для разрушения связей алюминия в MAX-фазе", – поясняет Билотто. "При приложении электрического напряжения к MAX-фазе возникает электрический ток, который инициирует реакции на границах раздела. Тщательно подбирая напряжение, мы можем добиться того, что будут удаляться только атомы алюминия, в результате чего и получается электрохимический MXenes (EC-MXenes)".

Используя этот метод, ученым удалось достичь выхода EC-MXene до 60% за один цикл без образования нежелательных побочных продуктов. Полученный материал был тщательно проанализирован с помощью различных методов, таких как SEM/EDX (для химического картирования), XPS и LEIS (для изучения структуры поверхности), а также AFM, TEM, Raman и XRD (для определения размера, расстояния между слоями и других физических характеристик).

В чем преимущества нового метода?

По словам исследователей, импульсный электрический метод не только повышает выход готового продукта, но и улучшает его качество, поддерживая поверхность материала чистой и активной на протяжении всего процесса. "Наша цель – сделать процесс синтеза MXene предельно простым. Он должен быть осуществим даже на обычной кухне", – говорит Билотто. "И мы уже очень близки к этому!"

Источник: TU Wien, Small

Эта статья была создана с использованием технологий ИИ и отредактирована человеком.

Мнение редакции: Разработка безопасного и эффективного метода производства MXene открывает огромные перспективы для применения этого "чудо-материала". Отказ от опасной плавиковой кислоты делает процесс более доступным и экологически чистым, что может способствовать его широкому внедрению в различных отраслях. Этот прорыв – важный шаг вперед в материаловедении, который может привести к созданию принципиально новых технологий и продуктов.