Dix ans après avoir produit le premier échantillon de la famille désormais très étudiée des nanomatériaux, appelé MXenes, Des chercheurs de l'Université Drexel ont découvert une manière différente de fabriquer le matériau ultra-mince qui présente un certain nombre de nouvelles opportunités pour l'utiliser. La nouvelle découverte élimine l'eau du processus de fabrication du MXene, ce qui signifie que les matériaux peuvent être utilisés dans des applications dans lesquelles l'eau est un contaminant ou entrave les performances, comme les électrodes de batterie et les cellules solaires de nouvelle génération.

La découverte, qui a été rapporté récemment dans le journal Chimie , propose une nouvelle recette pour la solution de gravure chimique qui découpe des couches d'un matériau précurseur céramique, appelée phase MAX, pour créer le matériau en couches bidimensionnel, MXene.

"L'eau a été utilisée dans les procédés de fabrication du MXène pour diluer l'acide de gravure et comme solvant pour neutraliser la réaction, mais il n'est pas toujours souhaitable d'en avoir des traces dans le produit fini, " dit Michel Barsoum, Doctorat., Professeur émérite au Collège d'ingénierie de Drexel. "Nous travaillons depuis un certain temps pour explorer d'autres agents de gravure pour la phase MAX P et maintenant nous avons trouvé la bonne combinaison de produits chimiques pour le faire."

MXenes a récemment attiré l'attention en tant que produit polyvalent, durable, matériau conducteur qui pourrait un jour améliorer la technologie de stockage d'énergie, permettre des textiles fonctionnels et améliorer les télécommunications.

Typiquement, ils sont produits en utilisant un acide concentré, pour découper des couches atomiques d'un matériau en phase MAX, puis lavé avec de l'eau, laissant des flocons du matériau en couches 2-D qui peuvent être pressés en films minces pour les puces électroniques et les électrodes de batterie, ou utilisé pour peindre des antennes et des dispositifs de revêtement pour bloquer les interférences électromagnétiques.

Le processus rapporté par Barsoum et ses collègues utilise un solvant organique et du fluorure de dihydrogène d'ammonium, un produit chimique couramment utilisé pour graver le verre, pour graver la phase MAX. Cette solution fait la gravure, en partie parce qu'il se décompose en acide fluorhydrique, mais il ne nécessite pas d'eau pour le diluer ou pour éliminer les sous-produits du processus de gravure.

La fabrication de MXenes de cette manière modifie leur structure chimique intérieure d'une manière qui les rend mieux adaptés à une utilisation dans certains types de batteries et de cellules solaires, où l'eau pourrait ralentir les réactions chimiques qui stockent et/ou convertissent l'énergie, ou dans certains cas même provoquer de la corrosion.

« MXenes a montré un énorme potentiel pour améliorer les dispositifs de stockage d'énergie, mais cette découverte les rend encore plus prometteurs, " dit Varun Natu, doctorant au Drexel's College of Engineering et premier auteur de l'article. « Il est connu que même une faible présence d'eau dans les batteries lithium ou sodium ion utilisant des électrolytes organiques, peut nuire à leurs performances. Dans ce travail, nous montrons que les films de MXene synthétisés dans du carbonate de propylène - lorsqu'ils sont testés comme anodes dans une batterie à ions sodium - présentent presque le double de la capacité de la même composition gravée dans l'eau. En outre, MXenes s'intègre désormais facilement avec des matériaux qui se dégradent dans l'eau, comme certains polymères, points quantiques et pérovskites."

En plus de mieux équiper MXenes pour ces applications, et d'autres encore à explorer, le nouveau procédé permet également de récupérer et de réutiliser la solution de gravure. Cela pourrait s'avérer utile alors que les chercheurs et les entreprises recherchent le moyen le plus efficace d'augmenter le processus de production.

Les chercheurs impliqués dans ce travail, dont Vibha Kalra, Doctorat., professeur agrégé au Collège d'ingénierie, ont exploré des moyens d'améliorer les performances et la sécurité des batteries en développant de nouveaux types d'électrodes. Cette découverte pourrait apporter de nouvelles options à ces efforts, ainsi que la croissance du corps de recherche MXene de Drexel.

"Cette découverte ouvre un nouveau champ de recherche énorme :la gravure non aqueuse de MXene. Nous pensons que ce travail s'avérera utile non seulement à la communauté MXene, mais aussi aux chercheurs de tout le domaine de la science des matériaux, " dit Barsoum.