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En utilisant des méthodes non conventionnelles, Christina Birkel et ses collègues du département de chimie de la TU Darmstadt produisent des céramiques métalliques et de nouveaux matériaux pour l'approvisionnement énergétique du futur.
Le four à micro-ondes du laboratoire de Christina Birkel, chef de groupe de recherche junior à la TU Darmstadt, est non seulement plus grand et nettement plus cher que l'appareil domestique habituel, mais aussi plus puissant et anti-feu et antidéflagrant. Birkel a fait retirer le plateau tournant et son support en plastique. "Ça aurait fondu de toute façon, " dit-elle. Le chimiste utilise le four pour la synthèse de substances que les experts appellent phases MAX. M signifie métal de transition, par exemple pour le titane ou le vanadium, A pour un élément du groupe principal – généralement l'aluminium – et X pour le carbone, et plus rarement aussi de l'azote. Jusqu'ici, environ 70 membres de cette famille sont connus.
"Au tournant du millénaire, les efforts de recherche dans le domaine des phases MAX se sont considérablement accrus, " explique Birkel. Pas étonnant, parce que les matériaux sont résistants aux rayures, stable à haute température et dans de nombreux cas résistant à l'oxydation comme une céramique, mais ils conduisent aussi l'électricité et ont parfois des propriétés magnétiques extraordinaires. Ils sont donc également appelés céramiques métalliques. Comme pour les minéraux argileux, Les phases MAX ont une structure lamellaire de couches A et M-X-M alternées.
Synthèse dans un four à micro-ondes
Alors que les chercheurs du monde entier, surtout aux États-Unis, étudier les propriétés et les applications potentielles des phases MAX, Birkel est impliqué dans leur synthèse. Elle a optimisé une méthode particulièrement simple utilisant le chauffage par micro-ondes :les poudres de métal et de graphite sont pressées en une pastille dense qui est ensuite scellée dans une ampoule de quartz sous vide. Celui-ci est ensuite entouré de graphite granulaire et placé dans le four à micro-ondes. Le graphite absorbe particulièrement bien l'énergie du rayonnement micro-ondes et garantit que la pastille chauffe à plus de 1300 degrés-à des températures aussi élevées, Les phases MAX se forment.
Mais ce n'est pas la fin du chemin pour Birkel. Parce que les MXenes, obtenu à partir des phases MAX pour la première fois en 2011, ont un avenir encore plus prometteur que ces derniers. Le nom indique la chimie dans ce cas :Le MXene est une phase MAX sans les couches A. Ceux-ci ont été éliminés avec de l'acide fluorhydrique. Bien que la procédure nécessite la plus grande prudence - l'acide fluorhydrique est très corrosif - il remplit parfaitement son objectif, comme le montre le microscope électronique :« La structure en couches des phases MAX s'élargit et ressemble alors à un livre en éventail. Les couches individuelles se séparent partiellement.
Le terme MXene avec la terminaison "ene" indique une certaine similitude avec le graphène, le matériau miracle constitué de couches de carbone pur. Concernant le MXene, une variété d'applications allant des matériaux de batterie à la purification de l'eau sont également discutées. Récemment, Birkel et ses collègues ont produit un nouveau MXene. Il se compose de couches de vanadium-carbone et convient comme catalyseur pour la réaction de dégagement d'hydrogène dans l'électrolyse de l'eau, comme l'a démontré le groupe d'Ulrike Kramm, professeur assistant à la TU Darmstadt. L'électrolyse de l'eau devient de plus en plus importante car elle permet de stocker l'énergie solaire ou éolienne générée en excès sous forme d'hydrogène.
Groupes hydroxyles (oxygène et hydrogène), atomes d'oxygène et de fluor, qui se lient à la surface des couches lors du traitement à l'acide fluorhydrique, jouent un rôle important dans l'activité catalytique du MXène. Les chercheurs du groupe Birkel étudient actuellement les mécanismes exacts dans le but d'optimiser les propriétés du MXene. Par exemple, des molécules organiques pourraient être couplées aux couches via les groupes hydroxyle. "Ainsi, selon le principe Lego, de nombreux nouveaux MXenes sont imaginables, " explique Birkel. Jusqu'à présent, seulement environ 20 MXènes sont connus. Le futur professeur de chimie n'aurait pas pu identifier un domaine de recherche plus étendu.