24 Nisan 2019 Çarşamba

MXene Nedir?

mxene nedir

2011 yılında keşfedilen MXene'ler, iki boyutlu (2D) malzemelerin en büyük ailelerinden birini oluşturan seramiklerdir. MXene'ler, MAX adında toplu bir kristalden yapılır. Çoğu 2D seramik malzemenin aksine MXene'ler doğal olarak iyi iletkenliğe sahiptir, çünkü karbürlerden ve titanyum gibi geçiş metallerinin nitridlerinden yapılan moleküler tabakalardır. Bu onlara yeni nesil enerji depolama uygulamalarında heyecan verici bir potansiyel sunar.

MXene'leri bu kadar ilginç kılan şey, bu malzeme sınıfının, milyonlarca olası geçiş metali düzenlemesinden (molibden veya titanyum gibi) karbon ve azottan oluşabileceği gerçeğidir. İşin püf noktası kararlı olanları bulmak.

MXene Keşfi

Grafen ve molibden disülfür gibi iki boyutlu (2D) yapıların benzersiz özelliklere sahip olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, geniş bir kimya yelpazesine sahip yeni bir 2D yapı ailesine sahip olmak, 2D ve 3D malzemelerin özellikleri arasındaki farkları daha iyi anlamak için kapıyı açabilir, 2D karbürlerin, nitridlerin, oksikaritlerin ve diğer ilgili yapıların yararlı özelliklerinin tanımlanmasına yol açabilir ve nihayet yeni uygulamalarla sonuçlanır.

MAX Fazları yıllarca araştırılmış ve çeşitli özelliklere sahip düzinelerce katmanlı karbür, nitrid ve karbonitrid sentezlenmiştir.

Araştırmacılar, titanyum, alüminyum karbür (Ti yerleştirilir kadar Ancak, bu seramik zaman, üç boyutlu bir malzeme olarak imal edilmiştir 3 ALC 2 seçici olarak alüminyum ortamdan çıkarmak için oda sıcaklığında hidroflorik asit içinde) tozlar barındırır.

MXene Nasıl Yapılır?

MXene'ler, seçici olarak alüminyumun katmanlı MAX fazlarından çıkarılmasıyla oluşturulur. Bu pul pul dökülme işlemi boyunca, karbür katmanları sadece birkaç atom kalınlığında iki MXene tabakasına ayrılır. MXene'ler, malzemelerin benzersiz özelliklerinden yararlanmak için bazen gerekli olan bir basamak olan interkalasyon olarak bilinen bir işlemle katmanları arasında çeşitli iyonları ve molekülleri barındırabilir.

Örneğin, MXene tabakaları arasına lityum iyonları yerleştirmenin, hem lityum-iyon piller hem de elektrokimyasal kapasitörler için umut verici malzemeler oluşturduğu gösterilmiştir.

Serbest duran MXene yongalarını sentezlemek için, Drexel Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, asgari derecede yoğun katman delaminasyonu (MILD) olarak adlandırdıkları asit kullanarak 2011'den itibaren ilk tekniklerini geliştirdi. İstenmeyen alüminyum katmanlarını titanyum karbür katmanları arasından selektif olarak çıkarmak için, MAX yığınına bir florür tuzu ve hidroklorik asit ile muamele ettiler. Daha sonra titanyum karbür katmanlarını ayırmak ve toplamak için kazınmış materyali el ile salladılar. Her katman beş atom kalınlığındadır ve üç titanyum tabakasını bağlayan karbon atomlarından yapılmıştır. Gravür ve peeling MAX bu serbest duran MXene katmanlarının çoğunu üretir. Bu nispeten basit teknik, üretim ölçekli üretimi mümkün kılabilir.

O zamandan beri, devam eden keşif, enerji depolamak, elektromanyetik parazitleri engellemek, suyu arıtmak ve hatta bakterileri engellemek için olağanüstü yeteneklerini ortaya koydu. Son araştırmaların önerdiği gibi MXene'ler de oldukça dayanıklıdır - türünün en güçlü malzemesidir. Pek çok muhtemel MXene alaşımı bileşimi olmasına rağmen, çoğu kararlı olmayacaktır. Malzeme bilimcilerinin karşılaştığı zorluk, en düşük oluşum enerjisine ve dolayısıyla en yüksek kararlılığa sahip olanları tanımlamak için çok sayıda alaşım konfigürasyonunda etkili bir şekilde tarama yapılması olmuştur. Geleneksel 'ilk prensipler' hesaplama yaklaşımları, böyle bir taramanın uygulanabilir olması için hesaplama açısından çok yoğundur. Bir yüksek verimli tarama MXene'ler için olası kompozisyonların araştırmacılara olası maddi tarifleri milyonlarca iyi adayı seçmek için paha biçilmez bir yön verir.

MXene Kullanım Alanları

MXene, Li-ion pillerin elektrotları, kapasitörler gibi enerji depolama cihazlarında kullanılabilir. Araştırmacılar ayrıca, mekanik özellikleri artıran ve polimerlerin gaz geçirgenliğini azaltan, killere veya grafene benzer şekilde kompozitlerde takviye olarak kullanılmasını da öngörmektedir. Çeşitli yüzey kimyasalları, geçiş metali oksitlerin varlığı ve yüksek yüzey alanı MXene'yi katalitik uygulamalar için potansiyel olarak çekici kılmaktadır.

Tuzdan arındırma ve atık su arıtma

Malzemelerin dikkat çekici özellikleri, su arıtma ve atıksu arıtımında MXene'ler için yeni olanaklar sunar. Su arıtma MXene olanaklarını araştırmak için, araştırmacılar, ince ve esnek bir Ti imal 3 Cı- 2 kaçmasını ısı enerjisini önlemek için bir polistiren ısı bariyer içeren membran kullandı. Bu, su üzerinde yüzebilen ve suyun bir kısmını doğal güneş ışığının aydınlatma seviyelerinde %84 verimle buharlaştırabilen bir sistem yarattı.

Batarya teknolojisi ve enerji depolama

Hesaplamalı çalışmalar, bazı MXene'lerin tamamen eksfoliye edici veya zayıflatıcı özelliklerinin, pil anotlarında kullanım için istisnai şarj kapasitesine sahip katmanlar üreteceğini göstermiştir. Bir raporda, bilim adamları, MXenlerin, yığınlanmış katmanları MXene tabakalarına tamamen dökmelerine ve nihayetinde solüsyondan pulları filtreleyerek MXene 'kağıdı' yaratmalarına izin veren dimetil sülfoksit (DMSO) dahil olmak üzere çeşitli organik moleküllerle MXenlerin başarılı bir şekilde birleştirildiğini gösterdi.

Bu esnek ve elektriksel olarak iletken kağıt, son derece yüksek şarj oranlarına ve ticari lityum-iyon pillerde kullanılan grafitten daha yüksek bir çevrilebilirliğe sahip, tipik MXene malzemesinin dört katı lityum iyon kapasitesini göstermiştir. Kritik olarak, bu çalışma bu tür malzemelerin büyük ölçekte sentezlenebileceğini göstermektedir.

Araştırmacılar ayrıca MXene malzeme ile pillerin daha hızlı şarj edilmesini sağlayacak yeni elektrot tasarımları geliştirdiler. Tasarımları, bir tutam halinde enerji sağlamak için kullanılan hızlı süperkapasitörler kadar hızlı - çoğu zaman bir batarya yedeklemesi veya hızlı patlamalar sağlamak için kullanılan, enerji depolama teknolojisinin yağmacı tanker kamyonu olarak görülen piller gibi enerji depolama aygıtları yapabilirler.

mxene malzemesi kullanan yeni elektrot tasarımları pillerin çok daha hızlı şarj edilmesini sağlar anahtar iyonların aktif bölgeleri yeniden düzenlemek için hızla yol almasını sağlayan mikro gözenekli bir tasarımdır


Triboelektrik nanogeneratorler

Araştırmacılar MXen'lerin boşa harcanan sürtünme enerjisini, örneğin yazarken veya yürürken kas kasılmalarından toplamak için kullanılabileceğini göstermiştir. MXene'ler, yüksek elektrik iletkenliğine ve polimer ve diğer malzemelerle temas halindeyken elektron alma kabiliyetine sahiptir. Bu olağandışı özellik kombinasyonu, onları kas hareketlerini elektrik enerjisine dönüştüren triboelektrik nanogeneratorler (TENG) için bileşen olarak kullanışlıdır. Araştırma, bu gelişmiş malzemelerin cep telefonlarına, el elektroniğine, giyilebilir cihazlara ve dizüstü bilgisayarlara dahil edilebileceğini ve sonunda kendi kendine güç verebileceğini ileri sürüyor.

İletken kaplamalar

MXene'ler, ağır esneme ve bükülme altında performansı koruyabilen mekanik olarak dayanıklı bir iletken kaplama geliştirmek için kullanılmıştır. Bu araştırma, yüksek düzeyde iletkenliği korurken MXene çok katmanlı kaplamaların büyük ölçekli mekanik deformasyona maruz kalabilmesi gerçeğini kullandı. Bu çalışmada araştırmacılar, MXene çok katmanlı kaplamalarını esnek polimer tabaka, gerilebilir silikonlar, naylon elyaf, cam ve silikon üzerine başarıyla biriktirdi.

Sensörler ve kimyasal burunları

MXene'nin şimdiye kadar bildirilen en hassas gaz sensörlerinden biri olduğu anlaşılıyor. Bu araştırma önemlidir, çünkü daha önce tespit edemediğimiz çok düşük konsantrasyonları tespit etmemize olanak tanıyan ortak gazların tespit aralığını genişletmektedir. Araştırma bulguları, MXene'nin, ülser ve diyabetin göstergesi olan amonyak ve aseton gibi kimyasalları, şu anda tıbbi teşhislerde kullanılan sensörlerden çok daha düşük izlerde toplayabildiğini göstermektedir.

MXene'nin geleneksel sensör malzemelerine göre avantajı, gözenekli yapısında ve kimyasal bileşiminde yatmaktadır. Materyal, hem gaz moleküllerinin yüzeyinde hareket etmesine izin vererek hem de kimyasal olarak çeken bazılarını absorbe ederek iyi bir seçicilik göstermektedir.

Kaynak