Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien

Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen

06.04.2018 - USA

Als Materialien für Elektroden in Akkus und Superkondensatoren haben sich aufgrund ihrer metallischen Leitfähigkeit und ihrer Wasserverträglichkeit sogenannte MXene etabliert. Darüber hinaus eignen sie sich für Anwendungen wie die photothermische Krebstherapie, elektromagnetische Abschirmung, Wasseraufbereitung und Gassensorik. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Forscher jetzt eine neue Methode zur Herstellung des MXenes Titancarbid vor. Anstatt das konventionelle, aber teure Titanaluminiumcarbid zu verwenden, ätzen sie Silizium selektiv aus Titansiliziumcarbid heraus, das eine kostengünstigere und gebräuchlichere Vorstufe darstellt.

Zweidimensionale Materialien aus extrem dünnen Lagen, die nur wenige Atome dick sind, haben einzigartige Eigenschaften, die ganz anders ausfallen als die ihrer dreidimensionalen Varianten. Prominentestes Beispiel ist Graphen, das aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen besteht. 2011 wurde an der Drexel University (Philadelphia, USA) eine neue Klasse zweidimensionaler Materialien synthetisiert: Diese sogenannten MXene werden aus Übergangsmetall-Carbiden und –Nitriden hergestellt. Das M steht dabei für ein Übergangsmetall, wie Titan, Vanadium oder Molybdän, das X kann Kohlenstoff und/oder Stickstoff sein. Viele verschiedene Verbindungen dieses Typs sind möglich, etwa 30 wurden bereits experimentell bestätigt, Dutzende weitere werden erwartet. Titancarbid Ti₃C₂ ist ein bekanntes MXen.

Um die begehrten MXene zu erhalten, muss man einen Umweg wählen: Aus schichtartig aufgebauten Carbiden bzw. Nitriden, die als MAX-Phasen bezeichnet werden, ätzt man mit Flusssäure selektiv die Schichten aus dem „A-Element“ heraus, einem Element der 3. oder 4. Hauptgruppe, beispielsweise Aluminium, Silicium oder Germanium. So lässt sich Titancarbid durch Herausätzen von Aluminium aus Titanaluminiumcarbid Ti₃AlC₂ gewinnen. Dieser Ausgangsstoff ist jedoch teuer und die Herstellung ist komplex. Das Silizium-Analogon Titansiliziumcarbid Ti₃SiC₂ ist dagegen kommerziell erhältlich und günstiger. Ti₃SiC₂ war die erste MAX-Phase, die Wissenschaftler der Drexel University 2011 selektiv mit Flusssäure ätzen wollten. Sie blieben jedoch erfolglos, da die Siliziumatome sehr fest an die benachbarten Übergangsmetallatome gebunden sind.

Das Team um Yury Gogotsi von der Drexel University hat nun eine erfolgreiche Verfahrensvariante entwickelt: Durch Zugabe eines Oxidationsmittels konnten sie die Bindungen schwächen und Silizium oxidieren. Mit Mischungen aus Flusssäure und einem Oxidationsmittel wie Salpetersäure, Wasserstoffperoxid oder Kaliumpermanganat gelang es dem Team, Titancarbid-MXene durch selektives Entfernen von Silizium aus Ti₃SiC₂ herzustellen.

Nach dem Ätzen bleiben stapelartig angeordnete Titancarbid-Strukturen übrig, die sich zu einzelnen Schuppen von etwa einem Nanometer Dicke delaminieren lassen. Mit der neuen Methode konnten die Forscher flexible, elektrisch leitfähige Titancarbid-Filme in größeren Mengen herstellen.

Die neue Methode könnte die Produktion von MXenen vereinfachen und eröffnet Wege zur Herstellung neuer MXene und verwandter zweidimensionaler Materialien aus Silizium-haltigen Vorstufen. So ließe sich die Palette zweidimensionaler Nano-Schichten erweitern, die Wissenschaft und Technik zur Verfügung steht.