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Von 2011 bis heute: Wie wurden MXenes schnell zu den Stars der Materialwissenschaft?
Im Bereich der Materialwissenschaften sind MXene zweifellos eines der auffälligsten neuen Materialien der letzten Jahre. Seit der ersten Veröffentlichung durch Wissenschaftler der Drexel University im Jahr 2011 haben MXene aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Eigenschaften schnell die Aufmerksamkeit von Forschern auf der ganzen Welt auf sich gezogen. Diese von Übergangsmetallen abgeleiteten zweidimensionalen Verbindungen werden aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, hervorragenden mechanischen Eigenschaften und vielfältigen Oberflächenchemie in vielen Bereichen wie Energiespeicherung, Katalyse und Elektronik häufig eingesetzt.
Es ist erstaunlich, dass sich Materialien wie MXenes in nur zehn Jahren von wissenschaftlichen Forschungsleistungen zu Starmaterialien mit unbegrenzten Anwendungsaussichten entwickelt haben.
Struktur und Synthese von MXenen
MXene bestehen aus Übergangsmetallcarbiden, -nitriden oder -carbonitriden und erscheinen normalerweise in einer Schichtstruktur. MXene werden in der Form Mn+1XnTx benannt, wobei M für das Metallelement, X für Kohlenstoff oder Stickstoff und T für die Oberflächenterminierungsgruppe steht. Diese Struktur ermöglicht MXenes eine gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit.
MXene werden hauptsächlich durch selektives Ätzen synthetisiert. Diese Synthesetechnologie ist nicht nur skalierbar, sondern behält auch die Eigenschaften des Materials bei. Bei diesem Verfahren verwenden Wissenschaftler stark fluorhaltige Ätzlösungen wie Flusssäure oder Lithiumchlorid, um die Elemente der mittleren A-Schicht zu entfernen und MXene zu extrahieren. In jüngster Zeit haben Anforderungen in verschiedenen Bereichen wie der Schmutzwasseraufbereitung und der Biomedizin die Entwicklung von MXenes-Synthesemethoden weiter vorangetrieben.
Eigenschaften von MXenen
Eine der größten Eigenschaften von MXenen ist ihre hohe Elektronendichte und Metallisierungseigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen hervorragend machen. Untersuchungen zeigen, dass MXene Ionen effektiv adsorbieren und speichern können und insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien und Natrium-Ionen-Batterien eine hervorragende Leistung zeigen. Beispielsweise ist Ti3C2 MXene bei der Entfernung von Ionen deutlich effizienter als herkömmliche Materialien und bleibt in verschiedenen Umgebungen stabil.
Untersuchungen zeigen, dass Ti3C2 MXene eine bis zu 100-fache Ionenadsorptionskapazität in einem Entionisierungsgerät mit fließender Elektrode aufweist, was sein Potenzial zur Kontrolle der Wasserverschmutzung zeigt.
Mögliche Anwendungen und Zukunftsaussichten
MXenes haben ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen, darunter Batterien, Superkondensatoren, Photokatalyse, Gassensoren und Biomedizin. Insbesondere wenn es um die Speicherung elektrischer Energie geht, übertreffen MXenes viele herkömmliche Materialien. Forscher erforschen den Einsatz von MXenen in fortschrittlichen elektronischen Geräten und Energiesystemen. Diese Anwendungen beschränken sich nicht nur auf Batterien. Aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und einstellbaren Eigenschaften haben sie auch gute Aussichten in den Bereichen Elektronik und Optoelektronik.
Mit einem tieferen Verständnis der Synthese- und Anwendungswege von MXenen wird zukünftige Forschung wahrscheinlich weitere innovative Anwendungsbereiche erschließen und dadurch unseren Lebensstil verändern.
Schlussfolgerung
Seit 2011 hat der rasante Aufstieg von MXenes große Aufmerksamkeit in Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Anwendungserforschung dieses Materials eröffnet unzählige Möglichkeiten für die Zukunft. Können MXenes mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie endlich die Beschränkungen bestehender Materialien durchbrechen und in der Zukunft zum Kernmaterial der neuen Ära der Wissenschaft und Technologie werden?
