p Grupos funcionais de superfície em carbonetos de metal de transição bidimensionais (2-D) podem sofrer transformações químicas versáteis para facilitar uma ampla classe de materiais MXene. Em um novo relatório sobre Ciência , Vladislav Kamysbayev, e uma equipe de cientistas em química, física e materiais em nanoescala no Instituto James Franck, a Universidade de Chicago e o Laboratório Nacional de Argonne nos EUA introduziram uma estratégia geral para sintetizar MXenes. Usando o método, eles instalaram e removeram grupos de superfície por meio de reações de substituição e eliminação em sais inorgânicos fundidos. A equipe sintetizou com sucesso MXenes com oxigênio (O), imidogênio (NH), enxofre (S), cloro (Cl), selênio (Se), terminações de superfície de brometo (Br) e telúrio (Te). Eles também projetaram e desenvolveram MXenes nus sem terminações de superfície e com estruturas e propriedades eletrônicas distintas. Os grupos de superfície também podem controlar as distâncias interatômicas na rede MXene para exibir supercondutividade dependente do grupo de superfície. p Os cientistas estudaram MXenes para aplicações em supercapacitores, baterias, blindagem de interferência eletromagnética e compostos. Os substratos podem ser tipicamente sintetizados a partir das fases MAX correspondentes, onde M representa o metal de transição, X significa carbono ou nitrogênio, gravando seletivamente o elemento A do grupo principal, que pode incluir alumínio (Al), gálio (Ga), silício (Si) e outros elementos. Os pesquisadores normalmente realizam corrosão em soluções aquosas de fluoreto de hidrogênio (HF) que transformam MXenes com uma mistura de fluoreto (F), grupos funcionais de oxigênio (O) e hidróxido (OH), comumente denotado como T _x . Os grupos funcionais também podem ser modificados quimicamente, ao contrário das superfícies de outros materiais 2-D, como grafeno e dichalcogenetos de transição. Pesquisas anteriores mostraram que terminações seletivas de MXenes com diferentes grupos de superfície podem levar a propriedades notáveis, incluindo funções de trabalho ajustáveis ​​e ferromagnetismo 2-D. A funcionalização covalente do substrato levará a descobrir novas direções para a engenharia racional de materiais 2-D funcionais.

p Ao gravar as fases MAX em sais fundidos no laboratório, os cientistas eliminaram reações indesejáveis ​​de oxidação e hidrólise para sintetizar os novos MXenes. Kamysbayev et al. caracterizou as amostras usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura de alta resolução (STEM), Espectroscopia Raman e uma combinação de métodos de raios-X. Eles mostraram como o cloreto (Cl ^- ) e brometo (Br ^- ) MXenes terminados poderiam se envolver com eficiência em novos tipos de reações de superfície. O processo permitiu um controle sem precedentes em toda a química da superfície, estrutura e propriedades dos materiais MXene. MXenes à base de cloreto e brometo com ligação superficial lábil (fácil de alterar) atuaram como sintons versáteis para transformações químicas adicionais. As reações de troca de superfície MXene exigiram temperaturas de 300 graus Celsius a 600 graus Celsius, que são difíceis de alcançar por meio de solventes tradicionais. A equipe, portanto, usou haletos de metal alcalino fundidos em solventes com estabilidade incomparável em alta temperatura e alta solubilidade. Por exemplo, MXenes halogenados, como Ti ₃ C ₂ Br ₂ disperso em haletos alcalinos, como brometo de césio, brometo de potássio ou brometo de lítio (CsBr / KBr / LiBr) pode reagir com telureto de dilítio (Li ₂ Te) e sulfeto de lítio (Li ₂ S) para formar MXenos com um grupo à base de telureto ou sulfeto.

p Kamysbayev et al. então Ti sintetizado ₂ CCl ₂ , Ti ₂ CBr ₂ , e Nb ₂ CCl ₂ (denotado em breve como cloreto-MXenes e brometo-MXenes) com base em modificações de superfície covalentes semelhantes. Eles realizaram reações de troca de superfície nos MXenes para demonstrar as folhas 2-D intactas durante todos os estágios de transformação. Por exemplo, durante as reações de brometo-MXenes com hidreto de lítio a 300 graus Celsius, a equipe produziu MXenes nus com locais vazios e descreveu o processo como uma eliminação redutiva dos grupos de hidreto. As transformações químicas de sólidos são normalmente impedidas pela difusão lenta para limitar severamente o escopo da síntese de compostos de estado sólido, portanto, a troca completa dos grupos de superfície em MXenes empilhados era um processo cineticamente complicado.

p Para entender a reatividade do material, os cientistas acompanharam a evolução das reações de troca de superfície usando Ti ₃ C ₂ Cl ₂ lençóis. Desempilhar as folhas de MXene em sais fundidos ajudou muito a difusão de íons para tornar as superfícies de MXene estericamente acessíveis. Os raios de van der Waals (vdW) e a densidade de empacotamento dos átomos da superfície do material tiveram um grande efeito na constante de rede denotada uma . O trabalho mostrou como a composição e estrutura de MXenes podem ser projetadas com versatilidade sem precedentes, enquanto a funcionalização química de MXenes afetou quase todas as propriedades dos materiais e influenciou a natureza do transporte eletrônico em MXenes. Acima de uma temperatura de 30 K, as amostras de fase MAX e MXene mostraram resistividade específica semelhante, que diminuiu no resfriamento da amostra. A equipe associou a dependência da temperatura com a condutividade e um estado metálico.

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p Kamysbayev et al. notou uma queda acentuada de resistividade a uma temperatura crítica de 6,0 K, para indicar transição supercondutiva no material. Comparativamente, oxigênio, MXenes à base de hidróxido e flúor preparados através da rota tradicional de corrosão (em HF aquoso) mostraram resistividade duas ordens de magnitude maior sem exibir supercondutividade. Os MXenes terminados em oxo mostraram a maior resistividade, enquanto o MXene selenoterminado mostrou a resistividade mais baixa. Desta maneira, os grupos de superfície não eram meros espectadores, mas contribuintes ativos para a supercondutividade MXene, afetando a tensão biaxial, frequências de fônons e a força do acoplamento elétron-fônon no material. As reações de troca MXene representam um excitante contra-exemplo para a visão tradicional de sólidos que são geralmente considerados difíceis de modificar após a síntese. Usando extensos estudos de caracterização, Vladislav Kamysbayev e colegas mostraram como ligações químicas dentro de uma pilha MXene estendida podem ser projetadas racionalmente para formar uma ampla classe de materiais funcionais. p © 2020 Science X Network