Rice University forskare som "flash" material för att syntetisera ämnen som grafen har riktat sin uppmärksamhet mot bornitrid, högt värderad för sin termiska och kemiska stabilitet.

Processen av kemisten James Tours Rice-lab exponerar en prekursor för snabb uppvärmning och kylning för att producera tvådimensionella material, i det här fallet ren bornitrid och borkolnitrid. Båda har hittills varit svåra att skapa i bulk, och nästan omöjliga att producera i lättlöslig form.

Laboratoriets rapport i Avancerat material beskriver hur flash Joule-uppvärmning, en teknik som introducerades av Tour-labbet 2020, kan ställas in för att förbereda renade, mikroskopiska flingor av bornitrid med olika grader av kol.

Experiment med materialet visade bornitridflingor kan användas som en del av en kraftfull korrosionsskyddande beläggning.

"Bornitrid är ett mycket eftertraktat 2D-material," sa Tour. "Att kunna tillverka den i bulk, och nu med blandade mängder kol, gör den ännu mer mångsidig."

På nanoskala finns bornitrid i flera former, inklusive en hexagonal konfiguration som ser ut som grafen men med alternerande bor- och kväveatomer istället för kol. Bornitrid är mjukt, så det används ofta som smörjmedel och som tillsats till kosmetika, och finns även i keramik och metallföreningar för att förbättra deras förmåga att hantera hög värme.

Riskemiingenjören Michael Wong rapporterade nyligen att bornitrid är en effektiv katalysator för att hjälpa till att förstöra PFAS, en farlig "för evigt kemikalie" som finns i miljön och hos människor.

Flash Joule-uppvärmning innebär att källmaterial stoppas mellan två elektroder i ett rör och skickar en snabb stöt av elektricitet genom dem. För grafen kan materialen vara nästan vad som helst som innehåller kol, där matavfall och begagnade bildelar av plast bara är två exempel. Processen har också framgångsrikt isolerat sällsynta jordartsmetaller från kolflygaska och andra råvaror.

I experiment ledda av Rice-studenten Weiyin Chen matades labbet med ammoniakboran (BH₃ NH₃ ) in i flashkammaren med varierande mängd kolsvart, beroende på önskad produkt. Provet flashades sedan två gånger, först med 200 volt för att avgasa provet av främmande element och igen med 150 volt för att slutföra processen, med en total blinkningstid på mindre än en sekund.

Mikroskopbilder visade att flingorna är turbostratiska - det vill säga feljusterade som dåligt staplade plattor - med försvagade interaktioner mellan dem. Det gör att flingorna är lätta att separera.

De är också lättlösliga, vilket ledde till anti-korrosionsexperimenten. Labbet blandade flashbornitrid med polyvinylalkohol (PVA), målade föreningen på kopparfilm och exponerade ytan för elektrokemisk oxidation i ett bad av svavelsyra.

Den flashade föreningen visade sig vara mer än 92 % bättre på att skydda koppar än PVA enbart eller en liknande förening med kommersiell hexagonal bornitrid. Mikroskopiska bilder visade att föreningen skapade "slingrande diffusionsvägar för frätande elektrolyter" för att nå kopparn, och även förhindrade metalljoner från att migrera.

Chen sa att konduktiviteten hos prekursorn kan justeras inte bara genom att tillsätta kol utan också med järn eller volfram.

Han sa att labbet ser potential för att blinka ytterligare material. "Prekursorer som har använts i andra metoder, såsom hydrotermisk och kemisk ångavsättning, kan testas i vår flashmetod för att se om vi kan förbereda fler produkter med metastabila egenskaper," sa Chen. "Vi har visat blinkande metallkarbider i metastabil fas och dikalkogenider av övergångsmetall, och den här delen är värd mer forskning." + Utforska vidare

Grafen förstärks genom att blinka