Rus

Eng

Уже более десяти лет двумерные наноматериалы, такие как графен, рекламируются как ключ к созданию более совершенных микросхем, батарей, антенн и многих других устройств. Но серьезной проблемой использования этих атомно тонких строительных материалов для технологий будущего является обеспечение того, чтобы их можно было производить в больших количествах без потери их качества.
Для одного из самых многообещающих новых типов 2D наноматериалов максенов (MXenes) это больше не проблема. Исследователи из Университета Дрекселя и Materials Research Centre (Центр материаловедения) в Украине разработали систему, которая может быть использована для производства больших количеств материала при сохранении его уникальных свойств. Недавно группа опубликовала статью в журнале Advanced Engineering Materials о том, что лабораторная система с реактором травления, разработанная в Materials Research Centre в Киеве, может превращать керамический материал-исходник в порошкообразный черный двумерный карбид титана MXene партиями в количестве до 50 граммов за синтез.

Доказательство того, что большие партии материала могут быть улучшены и производиться последовательно, является критическим шагом к достижению жизнеспособности производства. Для материалов MXene, которые уже зарекомендовали себя в качестве прототипа устройств для хранения энергии, вычислительной техники, связи и здравоохранения, достижение производственных стандартов является этапом на пути к массовому использованию. «Доказать, что материал обладает определенными свойствами, - это одно, но доказательство того, что он может преодолеть практические проблемы производства, - это совсем другое препятствие - опубликованная работа сообщает о важном шаге в этом направлении», - обьясняет Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор инженерного колледжа Университета Дрекселя, который является первооткрывателем в области исследований и разработок MXene и является ведущим автором статьи. «Это означает, что MXene можно рассматривать для широкого использования в электронике и устройствах накопления энергии».

Исследователи из Университета Дрекселя производят MXene в небольших количествах - обычно один грамм или меньше - с тех пор, как они впервые синтезировали материал в 2011 году. Слоистый наноматериал, который выглядит как порошок в сухом виде, начинает свой путь из куска керамики, под названием максфаза (MAX phase). Когда смесь плавиковой и соляной кислот взаимодействует с максфазой, она вытравливает определенные части материала, создавая чешуйки нанометрового размера, характерные для MXenes.

В лаборатории этот процесс будет происходить в контейнере на 60 мл с добавлением и смешиванием ингредиентов вручную. Чтобы более тщательно контролировать процесс в более широком масштабе, группа использует однолитровую реакторную камеру и устройство шнекового питателя для точного добавления максфазы. Один впуск равномерно подает реагенты в реактор, а другой обеспечивает сброс давления газа во время реакции. Специально разработанная мешалка обеспечивает тщательное и равномерное перемешивание. А охлаждающая рубашка вокруг реактора позволяет команде регулировать температуру реакции. Весь процесс компьютеризирован и контролируется программой, созданной командой Materials Research Centreв. Группа сообщила об успешном использовании реактора для получения чуть менее 50 г порошка MXene из 50 г исходного материала MAX-фазы в течение примерно двух дней (включая время, необходимое для промывки и сушки продукта). И множество испытаний, проведенных студентами на факультете Инженерного материаловедения Университета Дрекселя, показали, что полученный в реакторе MXene сохраняет морфологические, электрохимические и физические свойства исходного вещества, изготовленного в лаборатории. 

Cистема c реактором травления, протестированная исследователями Университета Дрекселя, может одновременно производить до 50 граммов материала MXene. Эта разработка объединяет MXenes в группу из нескольких 2D материалов, которые доказали, что они могут быть произведены в промышленных масштабах. Но поскольку производство максенов MXene - это субтрактивный производственный процесс - вытравливание кусочков сырья, как строгание пиломатериалов - отличается от аддитивных процессов, используемых для изготовления многих других двумерных наноматериалов.
«Большинство 2D-материалов сделаны с использованием подхода«снизу вверх », - сказал Christopher Shuck,  постдокторант и исследователь из Института наноматериалов в Университете Дрекселя. «Здесь атомы добавляются индивидуально, один за другим. Эти материалы могут быть выращены на определенных поверхностях или путем нанесения атомов с использованием очень дорогого оборудования. Но даже при использовании этих дорогостоящих машин и катализаторов производство партий занимает много времени, они являются небольшими и являются все же чрезмерно дорогими для широкого использования помимо небольших электронных устройств».

Выгодным преимуществом масенов MXenes также является набора физических свойств, которым они обладают и которые облегчают их путь от обрабатываемого материала к конечному продукту - препятствие, с которым сталкиваются даже в современных широко используемых современных материалах. «Обычно требуется много времени для разработки технологии и обработки, чтобы получить наноматериалы в промышленно пригодной форме», - поясняет професор Юрий Гогоци. «Дело не только в том, чтобы производить их в больших количествах, часто требуется изобретать совершенно новые механизмы и процессы, чтобы получить их в форме, которую можно вставить в производственный процесс - например, в микрочип или компонент сотового телефона ». По словам Гогоци, для максенов MXenes интеграция в производственную линию является довольно простой частью.

«Одним из огромных преимуществ MXenes является то, что они используются в виде порошка сразу после синтеза или могут быть диспергированы в воде с образованием стабильных коллоидных растворов», - сказал он. «Вода является наименее дорогим и самым безопасным растворителем. И с помощью процесса, который мы разработали, мы можем штамповать или печатать десятки тысяч маленьких и тонких устройств, таких как суперконденсаторы или метки RFID, из материала, синтезированного в одной партии». Это означает, что он может быть применен в любой из стандартных систем аддитивного производства - экструзии, печати, нанесения покрытия погружением, распыления - после одного этапа обработки.

Несколько компаний занимаются разработкой приложений для материалов MXene, в том числе Murata Manufacturing Co, Ltd., компания по производству электронных компонентов, расположенная в Киото, Япония, которая разрабатывает технологию MXene для использования в нескольких высокотехнологичных приложениях. «Самая захватывающая часть этого процесса заключается в том, что нет принципиальных ограничений для расширения промышленности», - сказал Гогоци. «Все больше и больше компаний производят MAX фазы большими партиями, и некоторые из них производятся с использованием большого количества материалов-прекурсоров. И MXenes являются одними из очень немногих 2D материалов, которые могут быть получены с помощью влажного химического синтеза в больших масштабах с использованием обычного оборудования и конструкций для реакции».

 Это исследование было поддержано U.S. Office of the Director of National Intelligence, the National Science Foundation,  European Commission и U.S. Department of Energy.

Кроме профессора Юрия Гогоци (Yury Gogotsi) и доктора Christopher Shuck в этой работе приняли участие от Университета Дрекселя Аsia Sarycheva, Mark Anayee, Ariana Levitt, Yuanzhe Zhu, Simge Uzun, а также Vitalii Balitskyi, Veronika Zahorodna and Oleksiy Gogots от  Materials Research Center (Киев, Украина).

Источник: https://drexel.edu/now/archive/2020/March/scaling_MXene/ 

MXene synthesis for research