西甲足球:分层2D材料最大化MXenes的潜力

作者:西甲足球

  在过去二十年的研究中,专注于原子或两个厚度的结构的特殊性质,称为“二维”材料,德雷塞尔大学的研究人员已经稳步发现其中一个家族的特殊性质。材料,称为MXenes。研究人员现在知道MXenes具有高导电性和极其耐用性,它们可以阻挡电磁干扰,感知空气中的化学物质,从水中去除盐分,并捕获氢气。他们提出了一个强有力的案例,涉及能源存储,无线通信和可穿戴技术的未来。但在此之前,研究人员需要了解为什么MXenes可以做他们做的事情 - 以及如何设计它们以做得更好。

  作为二维材料,MXenes主要由其表面定义,但研究人员处于直接测量MXenes表面化学如何影响其性能的早期阶段。德雷克塞尔工程学院动态表征小组的研究人员最近在Nature Communications杂志上发表了这个问题。他们的研究表明,设计与MXenes表面结合的原子及其层间的分子可以显着改善材料的各种性质。

  在他们对MXene表面化学的研究中,这些研究依赖于2016年在Drexel开发的新型电子显微镜技术,该技术可以实时地对属性定义的表面化学进行前所未有的测量。

  “虽然通过改变表面终止和嵌入来控制MXene特性的想法一直是推进这些材料的关键目标,但我们是第一个直接实现这一目标的人,并为设计这些材料以提高电导率和探索可能性奠定了基础。开发半导体,磁性和拓扑绝缘的MXenes,“该研究的主要作者,Hoeganaes教授兼动态表征组组长,Mitra Taheri博士说。“可以说,圣杯可以控制在板材之间发生的事情。”我们通过使用新型原位TEM技术和我们的直接检测光谱技术展示了向终止工程迈出的重要一步。

  MXenes是2011年在Drexel首次发现的,它是通过化学蚀刻称为MAX相的层状陶瓷材料制成的,以去除一组化学相关的层,留下一叠二维薄片。基于所使用的精确化学蚀刻剂,与薄片表面结合的原子种类 - 终止物质 - 以及卡在薄片之间的分子 - 插层剂 - 将会发生变化。研究人员推测,MXene,终止物种和插层物种之间的相互作用与MXenes的电导率有关。

  Drexel已经生产了大约30种不同类型的MXenes,本研究着眼于三种常用于应用的行为。研究人员的目标是在测试之前测量这些材料的电导率,然后在移除插层剂并改变薄片的表面化学性质时对其进行监测。

  为此,该团队将材料在线摄氏度的温度。在加热过程中,该团队监测材料的电阻 - 一种确定其导电性的方法 - 以及实时观察插入剂的化学耗散或脱嵌。为了进行这些测量,研究人员使用了他们之前开发的技术 - 称为直接检测电子能量损失光谱,这是监测2D材料中化学变化的理想选择。

  同样的过程能够监测和研究从MXene薄片表面释放终止原子。在这两种情况下,材料电阻的测量表明,当消除了插入物和终止物质时,它们变得更具导电性。

  “在我们的研究中,我们开始使用具有氧,氢氧化物和氟终止物质混合物的MXenes,我们发现,当您部分去除这些表面终止基团时,电导率会显着增加。水和有机分子也是如此。被de插入,“杰米哈特说,他是材料科学与工程系的博士研究员,也是该研究的作者。“重要的是,通过在电子显微镜中测试这些材料并用电子能量损失光谱法测量它们,我们能够确定插层和终止损失与提高电导率之间的因果关系。”

  虽然这证实了一段时间推测的理论,但哈特指出,到目前为止,几乎不可能准确地诱导,追踪和测量这些化学变化的影响。因此,这一发现意义重大,不仅因为它显示了MXenes行为的来源,而且还显示了如何改变行为。

  “大多数关于MXenes的实验研究都是针对特定的应用 - 例如,使用MXene制造电池并优化制造和设计以最大化电池性能,”Hart说。“我们的研究提出了关于MXenes特性的基本问题,我们的研究结果为如何提高MXenes的电导率提供了明确的指导,这应该直接转化为天线和电磁干扰屏蔽等应用的改进性能。”

  这些发现是朝着各种应用优化MXenes迈出的重要一步 - 可穿戴电子产品,能量存储和电磁干扰屏蔽,正在酝酿之中 - 以及了解如何在大气条件下长时间保持稳定性。他们还指出了创建可用于数据存储设备的磁性MXenes的方法。

  “这种研究是MXenes发展的基础,也是最终融入设备的基础,可以改善我们的日常生活,”德雷克塞尔工程学院博士候选人Kanit Hantanasirisakul说,他是该研究的共同作者。 。“现在我们可以更好地了解如何控制其属性,因此关注MXenes的进展将会令人兴奋。”

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