Al combinar un aditivo común para alimentos y agua, sales de polifosfato, con materiales MXene, Los investigadores de Drexel han descubierto una forma de ralentizar el proceso de oxidación cuando se exponen al agua. Crédito:Universidad de Drexel
Pueden almacenar electricidad mejor que casi cualquier material en la Tierra, bloquear una avalancha de interferencias electromagnéticas, y olfatear el más mínimo rastro de toxinas en el aire, pero MXenes, el último supermaterial en espera, tiene problemas con el agua. Como un rastrillo abandonado bajo la lluvia se oxidan, y rápido, cuando se almacena o se mezcla en agua. Es una cuestión de importancia Considerando algunas de las aplicaciones más prometedoras, es necesario combinar escamas de MXene en agua para hacer cosas como tinta conductora y recubrimientos en aerosol. Un gran avance, publicado recientemente por investigadores de la Universidad de Drexel en una revista de química alemana, mostrando que un aditivo suavizante de agua común puede ayudar a conservar las escamas en el agua, podría ser la clave de su viabilidad futura.
Estos atómicamente delgados, materiales en capas, que fueron descubiertos en Drexel en 2011, deben sus habilidades excepcionales, en parte, a su química superficial y estructura física. Pero la fuente de las propiedades únicas de los MXenes probablemente también sea su debilidad en lo que respecta a la oxidación. según la investigación publicada por un equipo de investigadores de la Facultad de Ingeniería de Drexel.
"La oxidación de los MXenes siempre ha sido un problema, "según Varun Natu, investigadora doctoral de la Facultad y coautora del artículo "Recubrimiento de bordes de láminas 2-D-MXene con sales polianiónicas para mitigar la oxidación en suspensiones coloidales acuosas, "que se publicó en la revista Angewandte Chemie . "Los MXenes de carburo de titanio más comunes muestran signos de oxidación cuando se almacenan durante una semana más o menos en agua; otras sustancias químicas se oxidan en unos días".
El oxígeno es un problema no solo porque reacciona con los MXenes, como lo haría con un rastrillo oxidado, sino que también cambia la química y morfología de su superficie, lo que en última instancia disminuye su rendimiento cuando se trata de tareas como pasar y almacenar electricidad.
Las escamas de MXene se oxidan rápidamente cuando se exponen al agua, lo cual es un problema porque muchas de sus aplicaciones implican hacer que esta mezcla se aplique como recubrimiento. Crédito:Universidad de Drexel
Distinguido grupo del profesor Michel Barsoum en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, que formó parte del equipo que descubrió MXenes y ha estado explorando sus aplicaciones, había estado buscando una manera de evitar que los MXenes se oxidaran en el agua durante varios años. Su avance se produjo después de que un descubrimiento relacionado mostrara cómo la oxidación comienza en los bordes de las láminas de MXene.
El equipo de Basoum mostró hace unos meses, que si bien las capas de los MXenes tienen una carga superficial negativa, los bordes de las hojas tienen una carga positiva. Este descubrimiento más el hecho, establecido en la literatura de arcilla, que las entidades negativas se sienten atraídas por los bordes de las partículas de arcilla condujeron al avance.
"Cuando disuelves sales de polifosfato en agua, se disocian en las largas cadenas cambiadas negativamente de polifosfatos y entidades positivas o cationes. Los primeros se sienten atraídos por los bordes positivos de MXene, taparlos y apagarlos, o reducir en gran medida, el proceso de oxidación. Es electrostática simple. Una vez que estas cadenas se asientan en los bordes de MXene, bloquean el contacto directo del agua y el aire reduciendo la tasa de oxidación. "dijo Natu.
Utilizando técnicas de microscopía avanzadas disponibles en el laboratorio de la coautora Mitra Taheri, Doctor., Profesor en el Colegio, los investigadores pudieron demostrar que las cadenas de polifosfato de hecho se sentían atraídas por los bordes positivos. Y tapar los bordes de las capas con un compuesto inerte de esta manera protege eficazmente las partes reactivas del material del contacto directo con agua y / o oxígeno, lo que ralentiza sustancialmente el proceso de oxidación.
Agregar sal de polisulfato a los bordes de las escamas de MXene evita que el oxígeno se adhiera y comience el proceso de oxidación. Crédito:Universidad de Drexel
Armado con tapas protectoras de polifosfato, Las escamas de MXene en el estudio duraron más de un mes en agua expuesta al aire sin ningún signo de oxidación.
"Este descubrimiento finalmente hace posible el almacenamiento a largo plazo de MXenes, lo que puede hacer viable su procesamiento a escala industrial, "Dijo Barsoum." Antes de nuestro descubrimiento, los métodos propuestos más comunes eran, secar los MXenes y almacenarlos al vacío, almacenar bajo atmósferas de argón, utilizando solventes orgánicos para hacer coloides MXene o para almacenar bajo nitrógeno líquido. Pero todos estos métodos no son rentables, energéticamente eficiente o escalable. Haciendo de la adición de polifosfato el mejor método para prevenir la oxidación hasta la fecha ".
El grupo de Barsoum probó su teoría con tres sales diferentes en dos composiciones diferentes de MXene, lo que demuestra que se puede usar una variedad de moléculas de manera efectiva para tapar los copos. Si bien los investigadores de Drexel ya han iluminado la posibilidad de utilizar MXenes para aplicaciones en tecnología móvil, almacen de energia, Comunicación inalámbrica, filtración de agua y cuidado de la salud, este trabajo podría conducir a avances en la ingeniería de superficies y bordes de los MXenes para optimizarlos para estos trabajos y otros. El equipo también está investigando métodos similares para conservar los MXenes en forma seca, lo que también ampliaría las posibilidades de uso.
