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Enthüllung der Struktur von MXenen: Warum haben diese Materialien ein so einzigartiges Mehrschichtdesign?
MXene sind eine Klasse zweidimensionaler anorganischer Verbindungen, die im Bereich der Materialwissenschaften das Interesse der Wissenschaftler geweckt haben. Sie enthalten atomar dünne Übergangsmetallcarbide, -nitride oder -carbonitride. Die Einzigartigkeit dieser Materialklasse liegt in ihrer Schichtstruktur und ihrer Fähigkeit, eine Vielzahl von wasserstoffaffinen Abschlussgruppen aufzunehmen, wodurch MXene ein unbegrenztes Potenzial für zahlreiche Anwendungen aufweisen.
Strukturelle Eigenschaften von MXenen
Bei der anfänglichen Synthese von MXenen wird üblicherweise ein Ätzverfahren mit Flusssäure (HF) verwendet, das ihnen ein fächerartiges Aussehen verleiht und üblicherweise als mehrschichtiges MXen (ML-MXen) oder als mehrschichtiges MXen mit einer geringen Anzahl von Schichten. (FL-MXene). Diese einzigartige Struktur führt zu relativ schwachen Wechselwirkungen zwischen den Schichten, wodurch MXene über anpassbare Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungen verfügen.
MXene verwenden die Namenskonvention Mn+1XnTx, wobei T eine funktionelle Gruppe wie O, F, OH, Cl darstellt.
Synthesemethoden von MXenen
MXene werden normalerweise durch selektives Herausätzen des A-Elements aus der MAX-Phase synthetisiert. Dieser Vorgang führt unabhängig von Änderungen der Batchgröße zu keinem Leistungsverlust oder keiner Leistungsänderung. Untersuchungen haben gezeigt, dass beim Ätzprozess von Ti3AlC2 mit Flusssäure nach der selektiven Entfernung des Elements A (Al) die Oberfläche der Karbidschicht durch Sauerstoff-, Hydroxyl- und Fluoratome terminiert wird.
Verschiedene Arten von MXenenMXene werden je nach Anzahl der Schichten und Übergangsmetalle in verschiedene Typen eingeteilt, darunter binäre MXene, ternäre MXene und doppelte Übergangsmetall-MXene. Diese unterschiedlichen Strukturen entsprechen unterschiedlichen elektrochemischen und physikalischen Eigenschaften. MXene können eine Rolle in der elektronischen Geräte, Batterien, Katalysatoren und andere Bereiche.
Abhängig von der Wahl der Übergangsmetalle können MXene Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Selbstheilungskräfte aufweisen, was sie zu potenziellen Materialien für verschiedene technologische Anwendungen macht.
Optische und biologische Eigenschaften von MXenen
Studien haben gezeigt, dass MXene wie Ti3C2 und Ti2C Licht im sichtbaren Lichtband absorbieren und hervorragende photothermische Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus wurden auch die biologischen Eigenschaften von MXenen umfassend untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Ti3C2-MXen eine gute antibakterielle Wirksamkeit gegen eine Vielzahl von Bakterien aufweist und eine selektive Toxizität gegenüber Krebszellen besitzt, was sein Potenzial für biomedizinische Anwendungen zeigt.
Potenzielle Anwendungen und Perspektiven
MXene haben ihr Anwendungspotenzial in vielen Bereichen unter Beweis gestellt. Beispielsweise in Energiespeicheranwendungen wie Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren sowie in der Wasserfilterung und Gassensoren. Sein einzigartiges Mehrschichtdesign bereichert nicht nur die physikalischen und chemischen Eigenschaften von MXenen, sondern bietet auch mehr Flexibilität für unterschiedliche technische Anforderungen.
„MXene haben ein großes Anwendungspotenzial und könnten in Zukunft zu innovativen Materialien für nachhaltige Energie- und Umweltschutztechnologien werden.“
