Med hjälp av icke-konventionella metoder, Christina Birkel och hennes kollegor vid Institutionen för kemi vid TU Darmstadt producerar metallkeramik och nya material för framtidens energiförsörjning.

Mikrovågsugnen i Christina Birkels laboratorium, junior forskargruppsledare vid TU Darmstadt, är inte bara större och betydligt dyrare än den vanliga hushållsapparaten, men också mer kraftfull och brand- och explosionssäker. Birkel lät ta bort skivspelaren och dess plaststöd. "Det skulle ha smält i alla fall, " säger hon. Kemisten använder ugnen för syntes av ämnen som experter kallar MAX-faser. M står för en övergångsmetall, till exempel för titan eller vanadin, A för ett huvudgruppselement – ​​vanligtvis aluminium – och X för kol, och mer sällan även kväve. Än så länge, cirka 70 medlemmar av denna familj är kända.

"Kring millennieskiftet, forskningsinsatserna inom området MAX-faser har ökat avsevärt, " förklarar Birkel. Inte konstigt, eftersom materialen är reptåliga, högtemperaturstabil och i många fall oxidationsbeständig som en keramik, men de leder också elektricitet och har ibland extraordinära magnetiska egenskaper. De kallas därför också för metallkeramik. På samma sätt som lermineraler, MAX-faser har en lamellstruktur av alternerande A- och M-X-M-lager.

Syntes i mikrovågsugn

Medan forskare över hela världen, speciellt i USA, undersöka egenskaperna och potentiella tillämpningar av MAX faser, Birkel är involverad i deras syntes. Hon har optimerat en särskilt enkel metod med hjälp av mikrovågsuppvärmning:metall- och grafitpulvret pressas till en tät pellet som sedan förseglas i en evakuerad kvartsampull. Denna omges sedan av granulär grafit och placeras i mikrovågsugnen. Grafit absorberar energin från mikrovågsstrålning särskilt väl och ser till att pelleten värms till över 1300 grader - vid så höga temperaturer, MAX faser bildas.

Men detta är inte slutet på vägen för Birkel. Eftersom MXenes, erhölls från MAX-faser för första gången 2011, har en ännu mer lovande framtid än den senare. Namnet indikerar kemin i detta fall:MXene är en MAX-fas utan A-skikten. Dessa avlägsnades med fluorvätesyra. Även om proceduren kräver yttersta försiktighet – fluorvätesyra är mycket frätande – uppfyller den sitt syfte perfekt, som visas av elektronmikroskopet:"Den skiktade strukturen av MAX faser vidgas och ser sedan ut som en utfläkt bok." De enskilda lagren separeras delvis.

Termen MXene med ändelsen "ene" indikerar en viss likhet med grafen, mirakelmaterialet som består av rena kollager. Angående MXene, en mängd olika tillämpningar från batterimaterial till vattenrening diskuteras också. Nyligen, Birkel och hennes kollegor producerade en ny MXene. Den består av vanadin-kolskikt och är lämplig som katalysator för väteutvecklingsreaktionen vid elektrolys av vatten, som visades av gruppen Ulrike Kramm, biträdande professor vid TU Darmstadt. Vattenelektrolys blir allt viktigare eftersom det gör det möjligt att lagra överdrivet genererad sol- eller vindenergi i form av väte.

Hydroxylgrupper (syre och väte), syre- och fluoratomer, som binder till ytan av skikten under fluorvätesyrabehandling, spelar en viktig roll i den katalytiska aktiviteten hos MXene. Birkel-gruppens forskare undersöker för närvarande de exakta mekanismerna i syfte att optimera egenskaperna hos MXene. Till exempel, organiska molekyler kunde kopplas till skikten via hydroxylgrupperna. "Således, enligt legoprincipen, många nya MXenes är tänkbara, " förklarar Birkel. Hittills, endast cirka 20 MXener är kända. Den blivande kemiprofessorn kunde inte ha identifierat ett mer utbyggbart forskningsområde.