Поиск или изготовление тонкого материала, который используется для удержания и отвода электрического заряда и который может принимать различные формы, является редкостью в области материаловедения. Прочность на растяжение – прочность материала в растянутом состоянии – и прочность на сжатие – его способность выдерживать вес – являются ценными характеристиками для этих материалов, поскольку при толщине всего в несколько атомов их полезность почти полностью зависит от их физической универсальности.
«Возьмите электрод небольшой литий-ионной батареи, которая питает ваши часы, например, в идеале проводящий материал в этом электроде должен быть очень маленьким – чтобы у вас не было громоздких часов, привязанных к вашему запястью – и удерживать достаточно энергии, чтобы – сказал Мишель Барсум, доктор философии, заслуженный профессор инженерного колледжа. "А что, если бы мы хотели превратить браслет часов в аккумулятор?? Тогда мы все равно хотели бы использовать очень тонкий проводящий материал, который может накапливать энергию, но он также должен быть достаточно гибким, чтобы сгибаться вокруг вашего запястья. Как видите, просто изменяя одно физическое свойство материала – гибкость или прочность на разрыв – мы открываем новый мир возможностей."
Этот гибкий новый материал, который группа определила как проводящий полимерный нанокомпозит, является последним выражением продолжающихся исследований в Департаменте материаловедения и инженерии Drexel по семейству композитных двумерных материалов под названием MXenes.
Этому развитию способствовало сотрудничество между исследовательскими группами Юрия Гогоци, доктора философии, заслуженного университета и профессора заведующего кафедрой инженерного колледжа в Дрекселе, и Цзешан Цю, заместителя декана по исследованиям Школы химической инженерии Даляньского технологического университета в Китае.
Чжэн Лин, докторант из Даляня, провел год в Drexel, возглавив исследования, которые привели к созданию первых композитов MXene-полимер. Исследование Drexel финансировалось за счет грантов Национального научного фонда и США.S.
Департамент энергетики.
Команда Drexel усердно изучала MXenes, как палеонтолог, тщательно смахивая осадок, чтобы найти научное сокровище.
С момента изобретения слоистого карбидного материала в 2011 году инженеры находят способы использовать преимущества его химического и физического состава для создания проводящих материалов с множеством других полезных свойств.
Один из наиболее успешных способов, которые они разработали, чтобы помочь MXenes выразить свои способности, – это процесс, называемый интеркаляцией, который включает добавление различных химических соединений в жидкой форме.
Это позволяет молекулам оседать между слоями MXene и при этом изменять его физические и химические свойства. Некоторые из первых и наиболее впечатляющих их результатов показали, что у MXenes есть большой потенциал для хранения энергии.
Чтобы создать гибкий проводящий полимерный нанокомпозит, исследователи интеркалировали карбид титана MXene с поливиниловым спиртом (PVA) – полимером, широко используемым в качестве бумажного клея, известного как школьный клей или клей Элмера, и часто встречающегося в рецептах для коллоидов, таких как гель для волос. и глупая замазка.
Они также интеркалированы полимером, называемым PDDA (полидиаллилдиметиламмонийхлорид), обычно используемым в качестве коагулянта в системах очистки воды.
«Уникальность MXenes заключается в том, что их поверхность заполнена функциональными группами, такими как гидроксил, что приводит к прочной связи между хлопьями MXene и молекулами полимера, сохраняя при этом металлическую проводимость нанометровых слоев карбида. Это приводит к нанокомпозиту с уникальным сочетанием свойств », – сказал Гогоци.
Результаты обоих наборов тестов MXene были недавно опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В статье исследователи сообщают, что этот материал демонстрирует повышенную способность накапливать заряд по сравнению с исходным MXene; и увеличение силы на 300-400%.
«Мы показали, что объемная емкость нанокомпозита MXene-полимер может быть намного выше по сравнению с обычными электродами на основе углерода или даже графена», – сказал Чанг Рен, докторант Gogotsi в Drexel. «При смешивании MXene с PVA, содержащим некоторую соль электролита, полимер играет роль электролита, но он также улучшает емкость, потому что он немного увеличивает межслойное пространство между хлопьями MXene, позволяя ионам проникать глубоко в электрод; ионы также остаются в ловушке вблизи MXene хлопья полимером.
С этими проводящими электродами и без жидкого электролита мы можем в конечном итоге отказаться от металлических токоприемников и сделать более легкие и тонкие суперконденсаторы."
Испытания также выявили гидрофильные свойства нанокомпозита, что означает, что он может быть использован в системах очистки воды, таких как мембрана для очистки или опреснения воды, поскольку он остается стабильным в воде без разрушения или растворения.
Кроме того, поскольку материал чрезвычайно гибкий, его можно свернуть в трубку, что, как показали первые испытания, служит только для увеличения его механической прочности. Эти характеристики указывают на множество направлений исследований этого нанокомпозитного материала для различных применений, от гибкой брони до аэрокосмических компонентов.
Следующим шагом группы будет изучение того, как различные соотношения MXene и полимера повлияют на свойства получаемого нанокомпозита, а также изучение других MXenes и более прочных и жестких полимеров для структурных применений.