
MXenes: уникальный класс двумерных материалов
В материаловедении MXenes представляют собой уникальный класс двумерных неорганических соединений, которые включают в себя атомарно тонкие слои карбидов, нитридов или карбонитридов переходных металлов. Эти материалы, наряду с MBenes, обладают интересными свойствами и широкими возможностями применения. Первый MXene был описан в 2011 году, и с тех пор исследователи активно изучают их структуру, состав и потенциальные применения.
Состав и структура MXenes
Синтезированные MXenes, полученные путем травления фторидом водорода (HF), имеют характерную морфологию, напоминающую гармошку. Эти материалы могут быть классифицированы как многослойные MXenes (ML-MXenes), если они содержат более пяти слоев, или малослойные MXenes (FL-MXenes), если слоев меньше. Поверхности MXenes могут быть терминированы различными функциональными группами, что позволяет использовать соглашение об именовании Mn+1XnTx, где T обозначает функциональную группу, такую как O, F, OH или Cl.
MXenes могут принимать различные структуры в зависимости от количества металлов в их составе. Например, они могут быть представлены формулами M2C, M3C2 и M4C3, которые производятся путем избирательного удаления элемента A из фазы MAX. Эти фазы имеют слоистую гексагональную структуру, где слои металлов упакованы почти плотно, а атомы углерода или азота занимают октаэдрические позиции.
Синтез MXenes
Процесс синтеза MXenes обычно включает травление MAX-фаз с использованием сильных травильных растворов, содержащих ионы фтора, таких как HF или гидродифторид аммония. Например, травление Ti3AlC2 в водном HF приводит к удалению атомов алюминия, в результате чего образуются терминированные атомами кислорода, гидроксила или фтора карбидные слои. Также возможно получение MXenes в расплавленных солях кислоты Льюиса, что позволяет использовать различные функциональные группы на поверхности.
Недавно был разработан метод гидротермального травления, который позволяет более эффективно производить MXenes, не выделяя при этом пары HF. Этот метод включает обработку MAX-фазы в растворе кислоты и соли при высоком давлении и температуре, что делает его более безопасным и эффективным.
Типы MXenes
Существует несколько типов MXenes, которые можно классифицировать по их структуре и составу. Например, 2-1 MXenes включают Ti2C, V2C и Nb2C, в то время как 3-2 MXenes представлены Ti3C2 и Zr3C2. Двойные переходные металлы MXenes, такие как Mo2TiC2, также имеют свои уникальные свойства и применения.
Ковалентная модификация поверхности
Одной из интересных особенностей MXenes является возможность их химической модификации. Поверхности MXenes могут быть преобразованы с помощью различных функциональных групп, таких как кислород, сера и другие. Это позволяет настраивать их свойства для конкретных приложений, таких как катализ, электроника и биомедицинские технологии.
Интеркаляция и расслаивание
MXenes имеют слоистую структуру, что позволяет интеркалировать различные молекулы между слоями. Это может быть полезно для изменения их свойства, таких как проводимость и механическая прочность. Например, гидразин и мочевина могут быть интеркалированы в Ti3C2(OH)2, что приводит к увеличению расстояния между слоями и ослаблению связи между ними.
Процесс расслаивания MXenes также является важным аспектом их обработки. Ультразвуковая обработка может помочь разделить многослойные MXenes на однослойные, что открывает новые возможности для их применения в электронике и других областях.
Применение MXenes
MXenes обладают множеством уникальных свойств, которые делают их перспективными для различных приложений. Например,