MXene — чудо-матеріал майбутнього тепер можна виробляти безпечно.
MXene — наноматеріал, який використовують у технологіях батарей та як високоефективний мастильний матеріал, раніше було складно й небезпечно виробляти. Однак дослідники з Віденського технічного університету (TU Wien) розробили нові, безпечніші методи його синтезу.
Одним із найреволюційніших напрямів у науці про матеріали є вивчення двовимірних (2D) матеріалів — речовин, що складаються з одного шару атомів. Вони часто мають зовсім інші властивості порівняно з об’ємними матеріалами з тих самих елементів. Цей напрямок досліджень набув широкого поширення після відкриття графену, за яке згодом присудили Нобелівську премію.
Сьогодні увагу науковців привертає новий клас 2D-матеріалів — MXenes (вимовляється як «максени»), які здебільшого складаються з титану та вуглецю. Дослідники з TU Wien у співпраці з компаніями CEST та AC2T досліджують потенціал цих матеріалів.
MXenes вирізняються вражаючими властивостями. Вони перспективні для електромагнітного екранування, зберігання енергії та високоточних сенсорів. Ба більше, дослідники з TU Wien з’ясували, що MXenes чудово працюють як тверді мастила навіть за екстремальних умов — таких як у космосі.
Новий метод — безпечний та без токсичних кислот
Основною перешкодою у виробництві MXenes залишався небезпечний і токсичний процес синтезу, що передбачав використання сильних кислот. Але тепер цю проблему вдалося вирішити: команда TU Wien розробила електрохімічний метод синтезу, який не потребує шкідливих реагентів. Це проривне дослідження було опубліковане в авторитетному журналі Small.
“Жодної плавикової кислоти більше”
«Щоб створити MXene, спочатку потрібно отримати так звані MAX-фази — це матеріали, що можуть містити шари алюмінію, титану та вуглецю», — пояснює П’єрлуїджі Білотто з дослідницького підрозділу трибології TU Wien.
«Раніше для того, щоб вилучити алюміній з MAX-фази, використовували плавикову кислоту, після чого залишалися надтонкі шари, які легко ковзають один по одному. Саме це й робить MXenes ефективним мастильним матеріалом».
Однак робота з плавиковою кислотою є складною і небезпечною: вона токсична, шкідлива для довкілля та вимагає дорогого спеціального обладнання. До того ж її утилізація є затратною.
«Саме через це MXene ще не стали масово використовуваними в промисловості, — каже Білотто. — Побудувати таке виробництво в промислових масштабах складно, і компанії цілком обґрунтовано уникають таких ризиків».
Разом із професорами Карстеном Гахотом і Маркусом Вальтінером (TU Wien), доктором Маркусом Остерманном (CEST, Вінера-Нойштадт), Марко Пільєвічем (AC2T) та іншими, Білотто вирішив знайти безпечнішу альтернативу.
Електрохімічний прорив
«Електрохімія дає змогу розірвати зв’язки алюмінію в MAX-фазі без кислот», — пояснює Білотто.
«При подачі електричної напруги в MAX-фазі виникає струм, що ініціює реакції на її поверхні. Завдяки точно підібраній напрузі можна вибірково видалити атоми алюмінію, залишивши в результаті чисті MXenes, отримані електрохімічно (EC-MXenes)».
Команда також відкрила, що короткі імпульси струму дозволяють значно покращити якість отриманого матеріалу. Вони спричиняють утворення маленьких бульбашок водню, які очищають і реактивують поверхню матеріалу, продовжуючи електрохімічну реакцію та підвищуючи ефективність виробництва.
Отримані зразки були проаналізовані з використанням найсучасніших методів — атомно-силової мікроскопії, сканувальної та просвічуючої електронної мікроскопії, спектроскопії Рамана, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії та низькоенергетичного розсіювання іонів. Властивості EC-MXenes щонайменше не поступаються тим, що були отримані за допомогою плавикової кислоти.
«Моя мета — зробити синтез MXene таким простим, щоб це було можливо зробити навіть на кухні», — підсумовує П’єрлуїджі Білотто. — «І ми дуже близько до цього».