En combinant un additif alimentaire et hydrique commun, sels de phosphate, avec les matériaux MXene, les chercheurs de Drexel ont découvert un moyen de ralentir le processus d'oxydation lorsqu'ils sont exposés à l'eau. Crédit :Université Drexel
Ils peuvent stocker l'électricité mieux que presque n'importe quel matériau sur Terre, bloquer une attaque d'interférences électromagnétiques, et renifler la moindre trace de toxines dans l'air, mais MXenes, le dernier super-matériel en attente, avoir des problèmes avec l'eau. Comme un râteau laissé sous la pluie, ils s'oxydent, et rapidement, lorsqu'il est stocké ou mélangé dans l'eau. C'est une question de conséquence, compte tenu de certaines des applications les plus prometteuses, il faut combiner des flocons de MXene dans de l'eau pour créer des éléments tels que de l'encre conductrice et des revêtements par pulvérisation. Une percée, récemment publié par des chercheurs de l'Université Drexel dans une revue de chimie allemande, montrant qu'un additif adoucisseur d'eau commun peut aider à préserver les flocons dans l'eau, pourrait être la clé de sa viabilité future.
Ces atomiquement minces, matériaux en couches, découverts à Drexel en 2011, doivent leurs capacités exceptionnelles, en partie, à leur chimie de surface et à leur structure physique. Mais la source des propriétés uniques des MXenes est probablement aussi leur faiblesse en matière d'oxydation, selon les recherches publiées par une équipe de chercheurs du Drexel's College of Engineering.
"L'oxydation des MXenes a toujours été un problème, " selon Varun Natu, doctorant au Collège et co-auteur de l'article "Edge Capping of 2-D-MXene Sheets with Polyanionic Salts to Mitigate Oxidation in Aqueous Colloidal Suspensions, " qui a été publié dans la revue Angewandte Chemie . « Les MXènes en carbure de titane les plus courants présentent des signes d'oxydation lorsqu'ils sont stockés pendant une semaine environ dans l'eau ; d'autres produits chimiques s'oxydent en quelques jours. »
L'oxygène est un problème, non seulement parce qu'il réagit avec les MXenes - comme un râteau rouillé - mais il modifie également la chimie et la morphologie de leur surface, ce qui finit par diminuer leurs performances lorsqu'il s'agit de tâches telles que le passage et le stockage de l'électricité.
Les flocons de MXene s'oxydent rapidement lorsqu'ils sont exposés à l'eau, ce qui est un problème car nombre de leurs applications impliquent de faire ce mélange pour l'appliquer en tant que revêtement. Crédit :Université Drexel
Groupe du professeur distingué Michel Barsoum au Département de science et génie des matériaux, qui faisait partie de l'équipe qui a découvert MXenes et a exploré leurs applications, cherchait depuis plusieurs années un moyen d'empêcher les MXènes de s'oxyder dans l'eau. Sa percée est intervenue après qu'une découverte connexe a montré comment l'oxydation commence sur les bords des feuilles de MXene.
L'équipe de Basoum a montré il y a quelques mois, que tandis que les couches de MXenes ont une charge de surface négative, les bords des feuilles ont en fait une charge positive. Cette découverte, plus le fait, établi dans la littérature sur l'argile, que les entités négatives sont attirées vers les bords des particules d'argile a conduit à la percée.
"Lorsque vous dissolvez des sels de polyphosphate dans l'eau, ils se dissocient en de longues chaînes modifiées négativement de polyphosphates et d'entités ou cations positifs. Les premiers sont attirés par les bords positifs de MXene, couvrez-les et fermez-les, ou réduire considérablement, le processus d'oxydation. C'est de l'électrostatique simple. Une fois que ces chaînes reposent sur les bords du MXene, elles bloquent le contact direct de l'eau et de l'air, réduisant ainsi le taux d'oxydation, " dit Natu.
En utilisant des techniques de microscopie avancées disponibles dans le laboratoire du co-auteur Mitra Taheri, Doctorat., Professeur au Collège, les chercheurs ont pu montrer que les chaînes polyphosphates étaient en effet attirées vers les bords positifs. Et le coiffage des bords des couches avec un composé inerte de cette manière protège efficacement les parties réactives du matériau du contact direct avec l'eau et/ou l'oxygène, ce qui ralentit considérablement le processus d'oxydation.
L'ajout de sel de polysulfate sur les bords des flocons de MXene empêche l'oxygène de se fixer et de commencer le processus d'oxydation. Crédit :Université Drexel
Armé de capuchons protecteurs en polyphosphate, Les flocons de MXene dans l'étude ont duré plus d'un mois dans de l'eau exposée à l'air sans aucun signe d'oxydation.
"Cette découverte rend enfin possible le stockage à long terme du MXenes, ce qui peut rendre viable son traitement à l'échelle industrielle, " a déclaré Barsoum. "Avant notre découverte, les méthodes les plus courantes proposées étaient, sécher les MXenes et les stocker sous vide, stockage sous atmosphères d'Argon, en utilisant des solvants organiques pour fabriquer des colloïdes de MXène ou pour stocker sous azote liquide. Mais toutes ces méthodes ne sont pas rentables, économe en énergie ou évolutif. Faire de l'ajout de polyphosphate la meilleure méthode pour empêcher l'oxydation à ce jour."
Le groupe de Barsoum a testé sa théorie avec trois sels différents sur deux compositions différentes de MXene, montrant qu'une variété de molécules peut être utilisée efficacement pour recouvrir les flocons. Alors que les chercheurs de Drexel ont déjà mis en lumière la possibilité d'utiliser MXenes pour des applications dans la technologie mobile, stockage d'Energie, Communication sans fil, filtration de l'eau et soins de santé, ce travail pourrait conduire à des avancées dans l'ingénierie des surfaces et des bords de MXenes afin de les optimiser pour ces emplois et d'autres. L'équipe étudie également des méthodes similaires pour conserver les MXenes sous forme séchée, ce qui élargirait également les possibilités d'utilisation.
