Usando métodos não convencionais, Christina Birkel e seus colegas do Departamento de Química da TU Darmstadt produzem cerâmicas metálicas e novos materiais para o suprimento de energia do futuro.

O forno de microondas do laboratório de Christina Birkel, líder do grupo júnior de pesquisa na TU Darmstadt, não é apenas maior e significativamente mais caro do que o dispositivo doméstico normal, mas também mais poderoso e à prova de fogo e explosão. Birkel teve a plataforma giratória e seu suporte de plástico removidos. "Isso teria derretido de qualquer maneira, "diz ela. O químico usa o forno para a síntese de substâncias que os especialistas chamam de fases MAX. M significa um metal de transição, por exemplo, para titânio ou vanádio, A para um elemento do grupo principal - geralmente alumínio - e X para carbono, e mais raramente também nitrogênio. Até agora, aproximadamente 70 membros desta família são conhecidos.

"Por volta da virada do milênio, os esforços de pesquisa no campo das fases MAX aumentaram significativamente, "explica Birkel. Não admira, porque os materiais são resistentes a arranhões, estável a alta temperatura e em muitos casos resistente à oxidação como uma cerâmica, mas também conduzem eletricidade e às vezes têm ligações magnéticas extraordinárias. Por isso, também são chamados de cerâmicas metálicas. Semelhante aos minerais de argila, As fases MAX têm uma estrutura lamelar de camadas alternadas A e M-X-M.

Síntese em forno de micro-ondas

Enquanto pesquisadores em todo o mundo, especialmente nos EUA, investigar as propriedades e aplicações potenciais das fases MAX, Birkel está envolvido em sua síntese. Ela otimizou um método particularmente simples usando aquecimento por microondas:os pós de metal e grafite são pressionados em um grânulo denso que é posteriormente selado em uma ampola de quartzo a vácuo. Este é então circundado por grafite granular e colocado no forno de micro-ondas. Grafite absorve a energia da radiação de microondas particularmente bem e garante que o pellet aqueça a mais de 1300 graus - em tais altas temperaturas, Forma de fases MAX.

Mas este não é o fim do caminho para Birkel. Porque os MXenes, obtido das fases MAX pela primeira vez em 2011, têm um futuro ainda mais promissor do que o último. O nome indica a química neste caso:O MXene é uma fase MAX sem as camadas A. Estes foram removidos com ácido fluorídrico. Embora o procedimento exija o máximo de cuidado - o ácido fluorídrico é altamente corrosivo - ele cumpre seu propósito perfeitamente, como mostrado pelo microscópio eletrônico:"A estrutura em camadas das fases MAX se alarga e então se parece com um livro em leque." As camadas individuais se separam parcialmente.

O termo MXene com a terminação "ene" indica uma certa semelhança com o grafeno, o material milagroso consistindo em camadas de carbono puro. Em relação ao MXene, uma variedade de aplicações de materiais de bateria para purificação de água também são discutidas. Recentemente, Birkel e seus colegas produziram um novo MXene. Consiste em camadas de vanádio-carbono e é adequado como um catalisador para a reação de evolução de hidrogênio na eletrólise da água, como demonstrado pelo grupo de Ulrike Kramm, professor assistente na TU Darmstadt. A eletrólise da água está se tornando cada vez mais importante porque permite armazenar a energia solar ou eólica excessivamente gerada na forma de hidrogênio.

Grupos hidroxila (oxigênio e hidrogênio), átomos de oxigênio e flúor, que se ligam à superfície das camadas durante o tratamento com ácido fluorídrico, desempenham um papel importante na atividade catalítica do MXene. Os pesquisadores do grupo Birkel estão atualmente investigando os mecanismos exatos com o objetivo de otimizar as propriedades do MXene. Por exemplo, moléculas orgânicas podem ser acopladas às camadas por meio dos grupos hidroxila. "Assim, de acordo com o princípio Lego, inúmeros novos MXenes são imagináveis, "explica Birkel. Até agora, apenas cerca de 20 MXenes são conhecidos. O futuro professor de química não poderia ter identificado uma área de pesquisa mais expansível.