Використовуючи нетрадиційні методи, Крістіна Біркель та її колеги, які працюють на хімічному факультеті Технічного університету Дармштадта (TU Darmstadt), створюють металокераміку і нові матеріали для енергетики майбутнього.

MAX-фази та нові двовимірні матеріали

Мікрохвильова піч у лабораторії Крістіни Біркель, керівника дослідницької групи в Університеті Дармштадта, не лише більша за розміром і значно дорожча за звичайний побутовий пристрій, але й потужніша, пожежонебезпечніша та вибухонебезпечніша.
Біркель використовує піч для синтезу матеріалів, які фахівці називають MAX-фазами. “М” – позначає перехідний метал, наприклад, титан або ванадій, “А” – позначає елемент основної групи – зазвичай алюміній, “Х” – позначає вуглець, а рідше – азот. На сьогодні відомо близько 70 подібних матеріалів.
“На зламі тисячоліття дослідницькі зусилля в галузі MAX-фаз значно зросли”, – пояснює Біркель. Не дивно, тому що матеріали стійкі до подряпин, стійкі до високих температур і в багатьох випадках стійкі до окислення, як кераміка, можуть проводити електрику й іноді мають незвичайні магнітні властивості. Тому їх також називають металевою керамікою. Подібно до глинистих мінералів, MAX-фази мають пластинчасту структуру шарів A і MXM, що чергуються.

Синтез у мікрохвильовій печі

У той час як дослідники в усьому світі, і особливо в США, досліджують властивості та шукають потенційне застосування MAX-фаз, Біркель бере участь у їхньому синтезі. Вона оптимізувала простий метод мікрохвильового нагріву: металеві та графітові порошки спресовуються в щільну таблетку, яка згодом запечатується у вакуумовану кварцову ампулу.
Ампула оточується гранульованим графітом і поміщається в мікрохвильову піч. Графіт дуже добре поглинає енергію мікрохвильового випромінювання і забезпечує нагрівання гранул до 1300 градусів – за таких високих температур утворюються MAX-фази.
Але це не вся робота Біркель. Тому що максени (MXenes), матеріали вперше отримані з MAX-фаз у 2011 році, мають навіть більш багатообіцяюче майбутнє. Їхня назва вказує на хімічний склад: MXene – це MAX-фаза без A-шарів.
Вони видаляються плавиковою кислотою. Хоча процедура вимагає граничної обережності – фтористоводнева кислота має високу корозійну активність, вона відмінно виконує своє призначення, це показує електронний мікроскоп: “Багатошарова структура MAX-фаз розширюється і має вигляд розгорнутих сторінок книги”. Окремі шари відокремлюються частково.

MXenes – нові двовимірні матеріали

Термін “MXene” із закінченням “ен” вказує на певну схожість із графеном, чудо-матеріалом, що складається з шарів чистого вуглецю. MXene, також має різні застосування від акумуляторних матеріалів до очищення води. Нещодавно Біркель та її колеги випустили новий MXene.
Він складається з ванадій-вуглецевих шарів і підходить як каталізатор для реакції виділення водню під час електролізу води, що продемонструвала група Ульріки Крамм, доцента Університету Дармштадта. Електроліз води стає все більш і більш важливим, оскільки він дає змогу накопичувати надлишки генерованої енергії сонця або вітру у вигляді водню.

Гідроксильні групи (кисень і водень), атоми кисню і фтору, які пов’язують поверхню шарів під час обробки плавиковою кислотою, відіграють важливу роль у каталітичній активності MXene. Дослідницька група Біркель наразі вивчає точні механізми цього процесу з метою оптимізації властивостей MXene.
Наприклад, органічні молекули можуть бути пов’язані з шарами через гідроксильні групи. “Таким чином, згідно з принципом Lego, можна створити безліч нових MXenes”, – пояснює Біркель. Поки відомо тільки близько 20 MXenes.