Chemische Schere ermöglicht strukturelle Bearbeitung geschichteter Materialien

Strukturelle Bearbeitungsstrategie von MAX-Phasen und MXenen

03.04.2023 - China

Forscher unter der Leitung von Prof. HUANG Qing am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben in Zusammenarbeit mit Forschern aus den USA und Schweden eine durch eine chemische Schere vermittelte Strategie zur Strukturaufbereitung für geschichtete Übergangsmetallcarbide (MAX-Phasen) und ihre zweidimensionalen (2D) Derivate (MXene) entwickelt.

Auf der Grundlage dieser Strategie lassen sich die Struktur und die elementare Zusammensetzung von MAX-Phasen/MXenen präzise steuern, so dass eine Fülle neuartiger MAX-Phasen- und MXen-Materialien gewonnen werden kann, die auf herkömmlichen Wegen nur begrenzt möglich sind.

Die Studie wurde in Science veröffentlicht.

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MAX-Phasen sind eine Familie von nanolaminierten ternären Karbiden oder Nitriden, die als Hochtemperatur-Strukturmaterialien große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben. MAX-Phasen weisen eine typische Schichtstruktur auf, bei der die MX- und A-Schichten abwechselnd gestapelt sind, so dass die atomaren Schichten auf der A-Seite chemisch geätzt werden können, um ihre 2D-Derivate, die MXene, zu erhalten.

Als eines der jüngsten Mitglieder der 2D-Materialfamilie haben MXene ein breites Anwendungspotenzial in den Bereichen Energiespeicherung, elektromagnetische Abschirmung und Katalyse gezeigt. Die genaue Kontrolle der Struktur und der elementaren Zusammensetzung der MAX-Phasen/Mxene stellt jedoch nach wie vor eine große Herausforderung dar und schränkt spezifische funktionelle Anwendungen ein.

In dieser Studie haben die Forscher eine durch eine chemische Schere vermittelte Strategie zur Strukturänderung vorgeschlagen, die allgemein für die strukturelle und kompositorische Abstimmung von MAX-Phasen/MXenen verwendet werden kann und so die Vielfalt der MAX-Phasen/MXenen verbessert.

Unter Verwendung von sauren geschmolzenen Lewis-Salzen und reduktiven Metallen als chemische Scheren können die A-site-Atomschichten von MAX-Phasen und die Oberflächenabschlüsse von MXenen entfernt werden. Anschließend können verschiedene Gastspezies, wie Atome und Anionen, in den Interkalationsraum eingebracht werden.

Die topologischen Übergänge zwischen MAX-Phasen und MXenen erfolgen über vier Reaktionswege. Die exquisite synergetische Kombination dieser vier Reaktionswege kann die Strukturen und die elementare Zusammensetzung von MAX-Phasen und MXenen erheblich bereichern, so dass eine Reihe von MAX-Phasen mit traditionellen (Al, Ga, In und Sn) und neuartigen (Bi, Sb, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pt, Au, Pd, Ag, Cd und Rh) A-Site-Elementen sowie MXene mit verschiedenen (-Cl, -Br, -I, -S, -Se, -Te, -P und -Sb) Oberflächenabschlüssen entstehen.

Interessanterweise kann auch der umgekehrte strukturelle Übergang von 2D-MXenen zu 3D-MAX-Phasen erreicht werden. "Diese neuartige Strategie könnte neue Ideen für das strukturelle Design von Schichtmaterialien liefern", so Prof. HUANG.

Diese durch eine chemische Schere vermittelte Strategie der Strukturänderung verkörpert sowohl das "Top-down"- als auch das "Bottom-up"-Synthesekonzept von Nanomaterialien und erleichtert die Erweiterung der Anwendungsfunktionen von MAX-Phasen und MXen-Materialien auf magnetische, optoelektronische, katalytische, supraleitende und andere Funktionen.

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