Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Юрия Гагарина и Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения (СО) Российской академии наук (РАН) разработали новый способ получения двумерных материалов на основе титана и углерода, который не требует высоких температур и обеспечивает защиту от окисления атмосферным кислородом. Результаты исследования, которые могут быть использованы для создания электродов для систем накопления энергии, были опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Двумерные материалы представляют собой кристаллы, имеющие один или несколько слоев, все атомы которых расположены в поверхностном слое. Это делает их высокоактивными в химическом отношении и, как следствие, простыми в использовании в качестве электродов – устройств, проводящих электрический ток. Однако синтез двумерных материалов требует дорогостоящего оборудования, что затрудняет их массовое использование.
Ученые Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН предприняли попытку решить эту проблему, предложив новую технологию получения МХенов – двумерных соединений, состоящих из атомов титана и углерода и используемых в электродах для накопления энергии. Сначала химики получили материал-предшественник, который, помимо титана и углерода, содержал атомы алюминия. Синтез проводился в расплаве хлористых солей калия и натрия при температуре 1250 градусов Цельсия (т.е. на 250 градусов ниже, чем во время предыдущих экспериментов). Это позволило избежать окисления материала кислородом воздуха, а также облегчило распределение реагентов в расплаве при относительно низких температурах.
После этого ученые в течение 24 часов обрабатывали соединения алюминием, используя смесь, содержащую соляную кислоту и соли фтора (эти операции проводились при температуре 140 градусов Цельсия). Это позволило им удалить атомы алюминия и разделить связанные с ними двумерные слои карбида титана на тонкие чешуйки размером в тысячные доли миллиметра. Наконец, на последнем этапе эксперимента химики нанесли суспензию этих хлопьев на медную подложку и высушили ее, получив из синтезированного соединения гибкую пленку.
Измерения электрохимической емкости материалов, то есть их способности накапливать электрический заряд, показали значения, которые в два раза превышают показатели промышленных аналогов.
«Наша работа демонстрирует, что высококачественные МХЕНЫ могут быть получены в лаборатории со стандартным оборудованием. Мы предложили масштабируемый синтез перспективного материала для электрохимического накопления энергии, и вскоре мы завершим работу над диэлектрическим откликом, или реакцией твердых тел на переменный ток, в композитных материалах с использованием МХенов», – цитирует Российский научный фонд слова Николая Горшкова, руководителя исследования, кандидата технических наук.
