Tio år efter att ha producerat det första provet av den nu allmänt studerade familjen av nanomaterial, kallas MXenes, Drexel University forskare har upptäckt ett annat sätt att göra det atomtunna materialet som ger ett antal nya möjligheter att använda det. Den nya upptäckten tar bort vatten från MXene-tillverkningsprocessen, vilket innebär att materialen kan användas i applikationer där vatten är en förorening eller hämmar prestanda, som batterielektroder och nästa generations solceller.

Upptäckten, som nyligen rapporterades i tidningen Chem , erbjuder ett nytt recept för den kemiska etsningslösningen som skär bort lager från ett keramiskt prekursormaterial, kallas MAX-fas, för att skapa det tvådimensionella skiktade materialet, MXene.

"Vatten har använts i MXene-tillverkningsprocesserna för att späda ut etssyran och som lösningsmedel för att neutralisera reaktionen, men det är inte alltid önskvärt att ha spår av det i den färdiga produkten, sade Michel Barsoum, Ph.D., Framstående professor vid Drexels College of Engineering. "Vi har arbetat ett tag med att utforska andra etsmedel för MAX P-fasen och nu har vi hittat precis rätt kombination av kemikalier för att göra det."

MXenes har nyligen fått uppmärksamhet som en mångsidig, hållbar, ledande material som en dag kan förbättra energilagringstekniken, möjliggöra funktionella textilier och förbättra telekommunikationer.

Vanligtvis, de framställs genom att använda en koncentrerad syra, att skära bort atomlager från ett MAX-fasmaterial, tvättas sedan med vatten – lämnar flingor av det 2D-skiktade materialet som kan pressas till tunna filmer för mikrochips och batterielektroder, eller används för att spraymåla antenner och belägga enheter för att blockera elektromagnetiska störningar.

Processen som rapporterats av Barsoum och hans kollegor använder ett organiskt lösningsmedel och ammoniumdivätefluorid - en kemikalie som vanligtvis används för att etsa glas - för att etsa MAX-fasen. Denna lösning gör etsningen, delvis för att det bryts ner till fluorvätesyra, men det kräver inte vatten för att späda ut det eller för att tvätta bort biprodukterna från etsningsprocessen.

Att göra MXenes på detta sätt förändrar deras inre kemiska struktur på ett sätt som gör dem bättre lämpade för användning i vissa typer av batterier och solceller – där vatten kan bromsa de kemiska reaktionerna som lagrar och/eller omvandlar energi, eller i vissa fall till och med orsaka korrosion.

"MXenes har visat en enorm potential för att förbättra energilagringsenheter, men denna upptäckt gör dem ännu mer lovande, " sa Varun Natu, doktorand vid Drexel's College of Engineering och första författare till artikeln. "Det är känt att även en liten närvaro av vatten i litium- eller natriumjonbatterier som använder organiska elektrolyter, kan vara skadligt för deras prestation. I detta arbete visar vi att MXene-filmer syntetiserade i propylenkarbonat - när de testas som anoder i ett natriumjonbatteri - uppvisar nästan dubbelt så stor kapacitet som samma komposition etsad i vatten. Dessutom, MXenes kan nu enkelt integreras med material som bryts ned i vatten, som vissa polymerer, kvantprickar och perovskiter."

Förutom att bättre utrusta MXenes för dessa applikationer, och andra som ännu inte har utforskats, den nya processen tillåter också att etslösningen kan återvinnas och återanvändas. Detta kan visa sig vara värdefullt när forskare och företag undersöker det mest effektiva sättet att skala upp produktionsprocessen.

Forskare som är involverade i detta arbete, inklusive Vibha Kalra, Ph.D., en docent vid Tekniska Högskolan, har undersökt sätt att förbättra batteriprestanda och säkerhet genom att utveckla nya typer av elektroder. Denna upptäckt kan ge nya alternativ för dessa ansträngningar, samt att utöka Drexels samling av MXene-forskning.

"Detta fynd öppnar upp ett stort nytt forskningsfält:icke-vattenhaltig etsning av MXenes. Vi tror att detta arbete kommer att visa sig användbart inte bara för MXene-gemenskapen, men också till forskare inom materialvetenskap, sa Barsoum.