Dieci anni dopo aver prodotto il primo campione dell'ormai ampiamente studiata famiglia di nanomateriali, chiamato MXenes, I ricercatori della Drexel University hanno scoperto un modo diverso per produrre il materiale sottile come un atomo che presenta una serie di nuove opportunità per usarlo. La nuova scoperta rimuove l'acqua dal processo di produzione di MXene, il che significa che i materiali possono essere utilizzati in applicazioni in cui l'acqua è un contaminante o ostacola le prestazioni, come gli elettrodi delle batterie e le celle solari di nuova generazione.

La scoperta, che è stato riportato di recente sulla rivista chimica , offre una nuova ricetta per la soluzione di incisione chimica che rimuove strati da un materiale precursore ceramico, chiamata fase MAX, per creare il materiale stratificato bidimensionale, MXene.

"L'acqua è stata utilizzata nei processi di produzione di MXene per diluire l'acido di incisione e come solvente per neutralizzare la reazione, ma non sempre è desiderabile averne tracce nel prodotto finito, " disse Michel Barsoum, dottorato di ricerca, Professore distinto nel College of Engineering di Drexel. "Abbiamo lavorato per un po' di tempo per esplorare altri agenti mordenti per la fase P MAX e ora abbiamo trovato la giusta combinazione di sostanze chimiche per farlo".

MXenes ha guadagnato l'attenzione di recente come versatile, durevole, materiale conduttivo che un giorno potrebbe migliorare la tecnologia di accumulo di energia, abilitare tessuti funzionali e migliorare le telecomunicazioni.

Tipicamente, sono prodotti utilizzando un acido concentrato, per ritagliare strati atomici da un materiale in fase MAX, quindi lavato con acqua, lasciando scaglie di materiale stratificato 2-D che possono essere pressate in pellicole sottili per microchip ed elettrodi della batteria, o utilizzato per spruzzare antenne e rivestire dispositivi per bloccare le interferenze elettromagnetiche.

Il processo riportato da Barsoum e dai suoi colleghi utilizza un solvente organico e fluoruro di idrogeno di ammonio, una sostanza chimica comunemente usata per incidere il vetro, per incidere la fase MAX. Questa soluzione esegue l'incisione, in parte perché si scompone in acido fluoridrico, ma non necessita di acqua per diluirlo o per lavare via i sottoprodotti del processo di incisione.

Realizzare MXene in questo modo altera la loro struttura chimica interna in un modo che li rende più adatti per l'uso in alcuni tipi di batterie e celle solari, dove l'acqua potrebbe rallentare le reazioni chimiche che immagazzinano e/o convertono energia, o in alcuni casi addirittura causare corrosione.

"I MXenes hanno mostrato un enorme potenziale per migliorare i dispositivi di accumulo di energia, ma questa scoperta li rende ancora più promettenti, " ha detto Varun Natu, un ricercatore di dottorato presso il College of Engineering di Drexel e primo autore dell'articolo. "È noto che anche la minima presenza di acqua nelle batterie agli ioni di litio o sodio che utilizzano elettroliti organici, può essere dannoso per le loro prestazioni. In questo lavoro mostriamo che i film di MXene sintetizzati in carbonato di propilene, quando testati come anodi in una batteria agli ioni di sodio, mostrano quasi il doppio della capacità della stessa composizione incisa in acqua. Inoltre, I MXenes possono ora essere facilmente integrati con materiali che si degradano in acqua, come certi polimeri, punti quantici e perovskiti."

Oltre a equipaggiare meglio MXenes per queste applicazioni, e altri ancora da esplorare, il nuovo processo consente inoltre di recuperare e riutilizzare la soluzione di attacco. Ciò potrebbe rivelarsi prezioso in quanto ricercatori e aziende cercano il modo più efficiente per aumentare il processo di produzione.

I ricercatori coinvolti in questo lavoro, compreso Vibha Kalra, dottorato di ricerca, professore associato presso la Facoltà di Ingegneria, hanno esplorato modi per migliorare le prestazioni e la sicurezza della batteria sviluppando nuovi tipi di elettrodi. Questa scoperta potrebbe portare nuove opzioni da sostenere in questi sforzi, così come la crescita del corpo di ricerca MXene di Drexel.

"Questa scoperta apre un nuovo enorme campo di ricerca:incisione non acquosa di MXenes. Riteniamo che questo lavoro si rivelerà utile non solo per la comunità MXene, ma anche ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali, " ha detto Barsone.