據(jù)外媒報道，近日，Drexel大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了能為能源應(yīng)用的電極材料——新型納米材料MXenes。MXenes因擁有化學(xué)活性的表面和高導(dǎo)電性的內(nèi)核，使其成為該集團(tuán)尖端材料研究的理想候選材料。HusamAlshareef及其團(tuán)隊(duì)專門研究用于電子和能源應(yīng)用的納米材料，他們將它們變成設(shè)備，例如超級電容器、電池和傳感器。

MXene具有化學(xué)和電化學(xué)活性的金屬-氧和金屬-羥基(例如Ti-OH)鍵覆蓋。

MXene通常由鈦和碳原子的核組成，厚度只有幾個原子那么厚。該金屬材料(碳化物或氮化物)的導(dǎo)電率可與銅線媲美。MXene的上表面和下表面覆蓋有具有化學(xué)和電化學(xué)活性的金屬-氧鍵(例如Ti-O)和金屬-羥基(例如Ti-OH)。“這些特性的組合使MXene具有獨(dú)特性，”Alshareef解釋說。

“MXenes在電子設(shè)備和傳感器中的應(yīng)用為KAUST的研究人員做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，”來自美國Drexel大學(xué)的教授YuryGogotsi說道，他是MXenes的發(fā)現(xiàn)者之一。“由于他們在電子領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，他們已經(jīng)將它們從材料階段轉(zhuǎn)移到了設(shè)備階段，這非常重要，并且可能是在工業(yè)中實(shí)際實(shí)施MXene的決定性時刻。”

從頭開始

Alshareef表示：“擁有制備優(yōu)質(zhì)MXene的知識是獲得出色性能的關(guān)鍵。”為了制造二維MXene原子晶體，首先使用常規(guī)陶瓷加工技術(shù)制備稱為MAX相的母體材料。MAX中的M代表過渡金屬，例如鈦;A通常是鋁;X是碳或氮。固溶處理方法用于選擇性地去除鋁以產(chǎn)生二維晶體。將這些晶體置于懸浮液中，然后用于制備MXene的薄膜、凝膠、薄片和量子點(diǎn)。

制造MXene的挑戰(zhàn)在于，制造母體MAX相需要高達(dá)1700攝氏度的溫度，并且需要HF來蝕刻鋁。Alshareef說：“我們正在開發(fā)工藝，以簡化合成方案，并使它們更環(huán)保、更節(jié)能。”

像在Alshareef的實(shí)驗(yàn)室中制造的膜一樣，MXene膜也用于能量存儲、傳感和滲透發(fā)電。

開發(fā)新設(shè)備

最近，Alshareef和他的小組開發(fā)了基于MXene的柔軟、超拉伸聚合物，稱為水凝膠。“我們稱之為MXene智能皮膚，”Alshareef說。“它具有3400%的可拉伸性、自我修復(fù)、柔軟并且?guī)缀蹩梢愿兄魏螙|西，如觸摸力、方向、速度、聲音、壓力、溫度、濕度等。”研究小組表明，放在額頭上的一小塊MXene智能皮膚可以區(qū)分多種面部表情，而放在語音盒上的MXene智能皮膚可以僅通過測量語音盒的移動來區(qū)分字母表中的每個字母。

MXenes可用于創(chuàng)建更好的傳感器、觸摸屏、光電探測器和復(fù)合材料。

可以利用MXene的大表面積和非凡電導(dǎo)率的傳感器設(shè)備是另一個有前途的研究途徑。最近，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個基于MXene的可穿戴汗液傳感器，以監(jiān)測汗液中的關(guān)鍵生物標(biāo)志物。所述伸縮性傳感器可以同時測量多個參數(shù)，包括乳酸、葡萄糖、pH值和鋅。“它可以測量并直接傳輸?shù)侥氖謾C(jī)，并且可以正常工作，”Alshareef說。“我們的原型可穿戴汗液傳感器運(yùn)行良好，我們未來的工作將集中在小型化上。”

Alshareef在KAUST校園內(nèi)的合作展示了MXenes的巨大潛力，他一直在與OmarMohammed合作，以了解它們的基本光電性能，并制造基于MXene的光子和等離子體設(shè)備。