德雷塞尔大学对MXenes的扩展进行了研究

德雷塞尔大学对MXenes的扩展进行了研究

1. 各种MXene压片的SEM图像。多层颗粒的在不同剪切状态下的实例用绿色箭头标记; 极端剪切区域用红色箭头标记。图片来源: Michel Barsoum, 《科学进展》

当你的教授说他们需要在节假日之前订购“maxenes”时,可能他们指的并不是贺卡。相反,你的教授可能准备对近十年发现的一系列2D材料进行研究。

MXenes是一系列2D过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物,由Yury GogotsiMichel Barsoum领导的两组德雷克塞尔大学研究人员于2011年发现,这两位都是美国陶瓷学会的研究员和材料科学与工程教授。MXenes是通过选择性蚀刻MAX相产生的MAX相是由过渡金属(由‘M’表示)、A族元素(由‘A’表示)和碳或氮(由‘X’表示)组成的大型三元化合物。在MXenes中,中间元素AMAX化合物中被小心的移除,仅留下MXMAX变为MX)。根据Gogotsi在研究主页的描述,添加后缀“ene”是为了强调材料与石墨烯的相似性。

Michel Barsoum和他在德雷塞尔大学的研究小组于今年1月发表的一篇论文中,他们发现MXene碳化钛(Ti3C2Tx,其中T是可变的表面群-OH-O-F)具有伪负压缩性,这种现象通常出现在一些粘土矿物和碳基层状材料中。负压缩性是指系统随着流体静压(流体施加的压力)的增大而各向同性地增大尺寸。产生负压缩性是因为溶剂分子(水、醇或其他有机物)插入压缩材料的弱结合层之间,但是,到目前为止尚未能完全解释其机制。

2. 这个周期表标记了每个MAX元素所处的位置:过渡金属(黄色)、A族元素(绿色)以及碳或氮(蓝色)。图片来源: Michel Barsoum, Layered Solids Group

与负压缩性相反,伪负压缩性指的是系统沿某些方向发生扩展。当MXene碳化钛被钢模具单向压缩成圆盘时,它会沿着晶体c方向发生很大的膨胀,但当MXene碳化钛在金刚石砧座中被准静态压缩时,其膨胀却很小。在来自Barsoum的电子邮件中,他解释说压缩是准静压的,而不是完全静压的,因为在这些实验中,水不是一个完美的静压传感器,而且我们更多使用的是浆料,所以我们的流体不足以充分说明它是完全静压的。

在论文中,Barsoum和他的小组解释了两种压缩方法之间的膨胀差异是由剪切引起的。在静水压缩下,压力来自所有方向,MXene在各个方向被均匀的压缩。但是当MXene被单向压缩时,层与层之间能够相互滑动。想象一下,当你拥有这些多层膜,并且周围存在屏障阻碍水的进入,”Barsoum在德雷克塞尔的一份新闻稿中说道。一旦剪切它们,你就会打破这个屏障,水就会流入,并将各层推开。

为什么MXenes会表现出伪负压缩性?一个实际的问题是在MXenes的电导率方面。在该论文中,Barsoum和他的小组解释说,研究MXene电导率的常用方法是将材料压入到圆盘中——该压缩会导致很大的膨胀。由于MXenes的亲水性(它倾向于与水混合),Barsoum和他的团队强调在压缩的过程中应考虑湿度,因为压缩环境中的高湿度会加剧水双层的插入,从而导致材料电导率的变化。

在来自Barsoum的电子邮件中,他说他们目前没有在MXene的扩展方面做更多的实验,但他们正在研究其他几个方面。我们更关注蚀刻过程中发生的事情,更重要的是,MXene与粘土有什么相似或者不相似之处,”Barsoum说。

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