Los investigadores han buscado durante mucho tiempo materiales conductores de la electricidad para dispositivos económicos de almacenamiento de energía. Las cerámicas bidimensionales 2D llamadas MXenes son contendientes. A diferencia de la mayoría de las cerámicas 2D, los MXenes tienen una conductividad inherentemente buena porque son láminas moleculares hechas de carburos y nitruros demetales de transición como el titanio.
Los MXenes fueron descubiertos conjuntamente por Michael Naguib, ahora miembro de Wigner en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, mientras realizaba su doctorado en la Universidad de Drexel en 2011. Las capas de MXene se pueden combinar para diseñar electrónica ultradelgada, sensores, baterías, supercondensadoresy catalizadores. Desde entonces se han informado unos 20 MXenes.
Recientemente, los científicos de ORNL que utilizan microscopía electrónica de transmisión de barrido de última generación, o STEM, proporcionaron la primera evidencia directa de las configuraciones de defectos atómicos en un MXene de carburo de titanio sintetizado en la Universidad de Drexel. Publicado en ACS Nano, una revista de la American Chemical Society, el estudio combinó la caracterización a escala atómica y las mediciones de propiedades eléctricas con la simulación basada en la teoría.
"Utilizando imágenes de microscopía electrónica de transmisión de escaneo de resolución atómica, visualizamos defectos y grupos de defectos en MXene que son muy importantes para futuros dispositivos nano electrónicos y aplicaciones catalíticas", dijo el autor principal Xiahan Sang del Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase CNMS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL.
"Los defectos a nivel atómico pueden transformarse en materiales para permitir nuevas funcionalidades", dijo el autor principal Raymond Unocic del CNMS. "Comprender estos defectos es fundamental para el avance de los materiales".
La imagen atómica desde diferentes perspectivas fue la clave para revelar la estructura de MXene. Cuando la muestra se alinea con el haz de electrones dentro de un instrumento STEM, el espectador no puede decir cuántas hojas hay debajo de la capa superior. Pero simplemente incline la muestra y las diferenciasaparece fácilmente. Por ejemplo, una capa de varias hojas está hecha de átomos apilados, una estructura que forma una imagen borrosa cuando la capa está inclinada. La aparición de imágenes atómicas nítidas bajo diferentes condiciones de inclinación demostró inequívocamente la estructura de una sola capa del MXene.
Fácil producción en masa de un buen conductor 2D
los MXenes están hechos de un cristal a granel tridimensional 3D llamado MAX la "M" denota un metal de transición; "A", un elemento, como aluminio o silicio, de un grupo químico específico; y "X,"ya sea carbono o nitrógeno. En la red MAX de la que surgió el MXene explorado en este estudio, tres capas de carburo de titanio se intercalan entre las capas de aluminio.
Los investigadores de Drexel mejoraron una técnica desarrollada en 2011 y modificada en 2014 para sintetizar MXene a partir de la fase MAX a granel utilizando ácidos. El método mejorado se llama deslaminación de capa mínimamente intensiva, o MILD ". Al usar MILD, terminamos con grandescopos de MXene de alta calidad ", dijo Mohamed Alhabeb, estudiante de doctorado en ciencias de los materiales en la Universidad de Drexel, quien logró esta hazaña con otra estudiante de doctorado, Katherine Van Aken, bajo el liderazgo de uno de los co-descubridores de MXenes, Universidad DistinguidaProfesor y Director del Instituto de Nanomateriales AJ Drexel, Yury Gogotsi.
Para sintetizar escamas de MXene independientes, el equipo de Drexel trató primero el MAX a granel con un grabador de sal de fluoruro y ácido clorhídrico para eliminar selectivamente las capas no deseadas de aluminio entre las capas de carburo de titanio. Luego sacudieron manualmente el material grabado para separar y recogerlas capas de carburo de titanio. Cada capa tiene un espesor de cinco átomos y está hecha de átomos de carbono que unen tres láminas de titanio. El grabado y la exfoliación MAX produce muchas de estas capas de MXene independientes. Esta técnica relativamente simple puede permitir la producción a escala de fabricación.
El grabado crea defectos: espacios vacíos que emergen cuando los átomos de titanio se extraen de las superficies. Los "defectos" son realmente buenos en muchas aplicaciones de materiales. Se pueden introducir en un material y manipular para mejorar sus útiles propiedades catalíticas, ópticas o electrónicas.
El estudio descubrió que cuanto mayor es la concentración del grabador, mayor es el número de defectos creados. "Tenemos la capacidad de ajustar la concentración del defecto, que podría usarse para adaptar las propiedades fisicoquímicas para el almacenamiento de energía y los dispositivos de conversión", dijo Sang.
Además, el número de defectos no afectó fuertemente la conductividad eléctrica de MXene. En CNMS, Ming-Wei Lin y Kai Xiao midieron las propiedades físicas, incluida la conductividad eléctrica, de varios materiales 2D prometedores. Descubrieron que MXene era un orden de magnitud menos conductivoque una lámina de grafeno perfecta pero dos órdenes de magnitud más conductivos que el disulfuro de molibdeno metálico.
Utilizando el modelado y la simulación, Paul Kent y Yu Xie de ORNL calcularon la energía necesaria para crear configuraciones atómicas de defectos que el STEM de Sang mostró que prevalecían.
A continuación, los investigadores planean ajustar los defectos al nivel atómico para adaptar comportamientos específicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Original escrito por Dawn Levy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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