Эффективный метод производства высококачественных максенов — двумерных слоистых материалов из неорганических соединений — представили ученые Института химии растворов им. Г.А. Крестова РАН. Максены — перспективные структуры, применяемые во многих сферах, включая энергетику, наноэлектронику и авиастроение. Новаторская технология синтеза максенов в плазме не требует высоких температур и токсичных веществ, может использоваться в промышленных масштабах и позволяет получать чистые материалы без примесей.
Максены широко используются в многочисленных областях. Их можно найти в аккумуляторах, солнечных батареях, суперконденсаторах, химических источниках тока, а также в наноэлектронике, устройствах для защиты от электромагнитных помех, опреснителях морской воды и даже в покрытиях для военных самолетов. Максены могут включать различные компоненты: металлы, углерод и другие неметаллы; металлы и азот; или металлы, углерод и азот.
Традиционный метод производства максенов — травление токсичных химических веществ. Помимо опасности самих реагентов, у него есть и другие недостатки: процесс проводится при высоких температурах, а также требует утилизации ядовитых отходов и очистки полученных максенов от примесей, образующихся во время травления.
Фотография синтезированных максенов с электронного сканирующего микроскопа.
Фото: Николай Сироткин / предоставлено пресс-службой Российского научного фонда
С деталями новой и «классической» технологий производства максенов нас познакомил участник проекта, научный сотрудник ИХР РАН, кандидат химических наук Николай Александрович Сироткин.
«На данный момент основной и самый распространенный способ получения MXenes (максенов) — это травление плавиковой кислотой (HF) так называемой макс-фазы, то есть соединения по типу Ti3AlC2, — рассказал Н.А. Сироткин корреспонденту «Научной России». — Плавиковая кислота — токсичное вещество, которое может вызывать крайне сильные ожоги и отравления. При синтезе максенов традиционным способом как побочный продукт образуется трифторид алюминия (AlF3). Это соединение ядовито, при контакте с кожей вызывает раздражение, также обладает нейротоксичностью. Систематическое или длительное вдыхание пыли трифторида алюминия может спровоцировать развитие астмы. Таким образом, это вещество должно быть удалено из реакционной смеси, что добавляет лишнюю стадию при синтезе максенов традиционным способом».
Чтобы сделать производство максенов максимально легким, эффективным и безопасным, ученые ИХР РАН разработали новый способ изготовления этих материалов при помощи плазмы — ионизированного газа, находящегося при высокой температуре. Новаторская технология проста, не требует токсичных реагентов, утилизации побочных продуктов и целенаправленного поддержания высоких температур: среда «разогревается» электрическим разрядом.
В качестве «исходного материала» для плазмы исследователи выбрали тетрахлорметан (четыреххлористый углерод). Это вещество при комнатной температуре представляет собой бесцветную жидкость, а при нагреве до 76,5°С начинает кипеть и превращаться в газ. Ученые поместили в раствор тетрахлорметана две проволоки из титана, одна из которых играла роль катода (положительно заряженного элемента), другая — роль анода (отрицательно заряженного элемента). Когда через них пропустили короткий электрический разряд, под его воздействием раствор тетрахлорметана между анодом и катодом перешел в состояние плазмы. Вблизи плазмы титан плавился и при взаимодействии со средой образовывал максены.
Стадии развития разряда между титановыми электродами, погруженными в четыреххлористый углерод.
Фото: Николай Сироткин / предоставлено пресс-службой Российского научного фонда
«Синтез максенов при предложенном нами способе их производства происходит непосредственно в зоне низкотемпературной плазмы, — объяснил Н.А. Сироткин. — Хотя здесь и используется слово “низкотемпературная”, но температура частиц в плазме (плазменного “газа”) может достигать нескольких тысяч градусов. При такой температуре титан из используемых электродов будет переходить в атомарное состояние, а молекулы растворителя — тетрахлорметана (среды, в которой возбуждается плазма) будут разрушаться с образованием атомарного углерода и активных радикалов по типу CCl3• и других. В зоне плазмы атомарный титан взаимодействует с углеродом либо углеродсодержащими радикалами с образованием карбидов титана. Образующиеся молекулы карбида титана из зоны плазмы попадают в среду растворителя, где “сшиваются” между собой, образуя нанослои максенов».
После пропускания электрического разряда ученые высушивали раствор при комнатной температуре, получая порошок максенов. В результате химического анализа исследователи обнаружили, что максены, изготовленные новым методом, не содержат оксидных примесей, ухудшающих электромагнитные свойства соединений.
Главное преимущество новаторского способа производства максенов — возможность производить двумерные структуры с разным составом. Для этого достаточно заменить материал электрода на другой металл: например, хром, молибден, вольфрам. Это позволяет создавать максены с заранее заданными электрическими, оптическими, магнитными и биологическими свойствами.
Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда. Эксперименты с новой технологией продолжаются.
«На данном этапе можно сказать, что мы еще стоим в начале пути: идет первый год выполнения проекта по гранту Российского научного фонда. Но нами уже получены очень интересные результаты, — поделился Н.А. Сироткин. — В настоящий момент мы исследуем процесс получения с использованием растворной плазмы нитридных максенов, где атом углерода заменен на азот. Кроме того, мы изучаем возможность синтеза максенов, содержащих другие атомы металлов, кроме титана. Внедрение данного способа в массовое производство — это, безусловно, длительный процесс: требуются разработка технологического процесса, создание моделей реакторов и т.п. Но я уверен, что благодаря своевременной поддержке РНФ мы сможем максимально приблизиться к применению данного способа в промышленных масштабах».
Одна из целей участников проекта — получать в одностадийных процессах содержащие максены мембранные композиты, которые можно будет применять в качестве компактных опреснителей воды. Подробнее о ходе и результатах экспериментов можно узнать из статьи в журнале Plasma Chemistry and Plasma Processing.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения на превью (рисунок иллюстративного характера): vectorpocket / фотобанк Freepik
Фото в тексте: Николай Сироткин / предоставлены пресс-службой Российского научного фонда