Usando métodos no convencionales, Christina Birkel y sus colegas del Departamento de Química de la TU Darmstadt producen cerámicas metálicas y nuevos materiales para el suministro energético del futuro.

El horno microondas en el laboratorio de Christina Birkel, líder del grupo de investigación junior en la TU Darmstadt, no solo es más grande y significativamente más caro que el dispositivo doméstico habitual, pero también más potente y a prueba de fuego y explosión. Birkel hizo quitar el plato giratorio y su soporte de plástico. "Eso se habría derretido de todos modos, "ella dice. El químico usa el horno para la síntesis de sustancias que los expertos llaman fases MAX. M significa un metal de transición, por ejemplo para titanio o vanadio, A para un elemento del grupo principal, generalmente aluminio, y X para carbono, y más raramente también nitrógeno. Hasta ahora, se conocen aproximadamente 70 miembros de esta familia.

"Alrededor del cambio de milenio, los esfuerzos de investigación en el campo de las fases MAX han aumentado significativamente, "explica Birkel. No es de extrañar, porque los materiales son resistentes a los arañazos, estable a altas temperaturas y en muchos casos resistente a la oxidación como una cerámica, pero también conducen electricidad y en ocasiones tienen propiedades magnéticas extraordinarias. Por tanto, también se denominan cerámicas metálicas. De manera similar a los minerales arcillosos, Las fases MAX tienen una estructura laminar de capas alternas A y M-X-M.

Síntesis en horno microondas

Mientras que los investigadores de todo el mundo, especialmente en los EE. UU., investigar las propiedades y aplicaciones potenciales de las fases MAX, Birkel participa en su síntesis. Ella ha optimizado un método particularmente simple usando calentamiento por microondas:los polvos de metal y grafito se presionan en una pastilla densa que luego se sella en una ampolla de cuarzo al vacío. A continuación, se rodea con grafito granular y se coloca en el horno microondas. El grafito absorbe la energía de la radiación de microondas particularmente bien y asegura que el pellet se caliente a más de 1300 grados, a temperaturas tan altas, Se forman las fases MAX.

Pero este no es el final del camino para Birkel. Porque los MXenes, obtenido de las fases MAX por primera vez en 2011, tienen un futuro aún más prometedor que estos últimos. El nombre indica la química en este caso:el MXene es una fase MAX sin las capas A. Estos se eliminaron con ácido fluorhídrico. Aunque el procedimiento requiere la máxima precaución (el ácido fluorhídrico es altamente corrosivo), cumple su propósito a la perfección. como lo muestra el microscopio electrónico:"La estructura en capas de las fases MAX se ensancha y luego parece un libro en abanico". Las capas individuales se separan parcialmente.

El término MXene con la terminación "ene" indica cierta similitud con el grafeno, el material milagroso que consiste en capas de carbono puro. Respecto al MXene, También se discuten una variedad de aplicaciones, desde materiales para baterías hasta purificación de agua. Recientemente, Birkel y sus colegas produjeron un nuevo MXene. Consiste en capas de vanadio-carbono y es adecuado como catalizador para la reacción de desprendimiento de hidrógeno en la electrólisis del agua. como lo demuestra el grupo de Ulrike Kramm, profesor asistente en TU Darmstadt. La electrólisis del agua es cada vez más importante porque permite almacenar energía solar o eólica excesivamente generada en forma de hidrógeno.

Grupos hidroxilo (oxígeno e hidrógeno), átomos de oxígeno y flúor, que se unen a la superficie de las capas durante el tratamiento con ácido fluorhídrico, juegan un papel importante en la actividad catalítica del MXene. Los investigadores del grupo Birkel están investigando actualmente los mecanismos exactos con el objetivo de optimizar las propiedades del MXene. Por ejemplo, las moléculas orgánicas podrían acoplarse a las capas mediante los grupos hidroxilo. "Por lo tanto, según el principio de Lego, son imaginables numerosos MXenes nuevos, "explica Birkel. Hasta ahora, sólo se conocen alrededor de 20 MXenes. El futuro profesor de química no podría haber identificado un área de investigación más ampliable.