Ralentizar la degradación de MXenes acuosos en soluciones coloidales
MXenes se han establecido como sustancias de elección para ser utilizadas en diversas aplicaciones debido a sus propiedades favorables. Sin embargo, estos materiales enfrentan problemas de degradación.
Estudiar: La combinación de alto pH y antioxidante mejora la estabilidad química de los carburos y carbonitruros de metales de transición bidimensionales (MXenos) en soluciones coloidales acuosas.. Haber de imagen: África Studio/Shutterstock.com
Para solucionar este problema, un artículo publicado en la revista Química Inorgánica presenta una técnica innovadora para mejorar la estabilidad química de MXenes.
MXenes – ¿Qué son exactamente?
MXenes ha sido ampliamente explorado durante la última década debido a sus notables características eléctricas, térmicas, ópticas y mecánicas. Estas configuraciones bidimensionales de carburos y nitruros metálicos a menudo se sintetizan mediante grabado químico a base de agua a través de sus precursores de fase MAX.
MXenes se sintetizan en forma coloidal en ambientes acuosos, que también es un método de almacenamiento popular debido a que estos compuestos tienen una alta afinidad por el agua.
La singularidad de MXenes
La interesante combinación de MXenes de alta conductividad eléctrica e hidrofilia (alta afinidad por el agua) y su capacidad para tolerar intercalantes los hace extremadamente útiles para aplicaciones como generación y almacenamiento de energía, purificación de agua, detección y protección contra interferencias electromagnéticas.
Sin embargo, poco se sabe sobre la naturaleza química de estos materiales 2D, y menos aún sobre el efecto de variables como la temperatura, el pH y la concentración de la solución en su reactividad.
Hidrólisis: el principal contribuyente a la degradación de MXene
Investigaciones anteriores han demostrado que la hidrólisis es el principal proceso que contribuye a la degradación de MXene en soluciones acuosas. También se ha discernido que el nivel de pH circundante puede tener un impacto considerable en la tasa de hidrólisis.
Aunque solo se han publicado algunos artículos sobre el tema, la rápida degradación de MXene en medios básicos se ha registrado e interpretado de manera bastante extensa, principalmente la reacción entre MXene y OH.–.
Estos y muchos otros resultados contradictorios con respecto a la estabilidad química de Mxene en la etapa coloidal requieren más investigación. La identificación directa de los subproductos de las reacciones de Mxene ofrece una técnica integral para analizar la reactividad de estos materiales a este respecto.
Base de investigación actual de Mxenes
En este trabajo, los investigadores utilizaron el examen directo de subproductos de reacción a base de gas mediante espectroscopia Raman y cromatografía de gases para evaluar la estabilidad química de Mxenes a lo largo del tiempo en soluciones acuosas a diferentes valores de pH iniciales.
El examen se complementa además con la observación de la concentración de Mxene en la solución por espectroscopia UV-vis, así como pruebas de conductividad eléctrica de láminas de Mxene y un estudio post-mortem de la degradación asociada a productos sólidos de Mxene por difracción de rayos X. , espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y espectroscopia Raman.
Para mitigar los impactos de los contraiones, que pueden inhibir los efectos del nivel de pH cuando se usa una solución alcalina o ácida, el equipo utilizó un electrolito de pH inerte.
Los investigadores han desarrollado un método sinérgico para suprimir la degradación de MXene y extender la vida útil al bloquear de manera efectiva la hidrólisis y la oxidación.
El equipo predijo que los resultados ayudarían a diseñar mejores técnicas de almacenamiento para soluciones acuosas de MXene y conducirían a una mejor comprensión de los procesos químicos básicos.
Resultados del estudio
El impacto del nivel de pH de la solución acuosa en la degradación de MXene se estudió mediante cromatografía de gases y espectroscopia Raman para gases desprendidos, así como mediante observaciones visuales y clasificación de productos reactivos sólidos mediante difracción de rayos X, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. y espectroscopia Raman.
El equipo señaló que, dependiendo del nivel de pH particular, la degradación de MXene produce metalatos en capas. Se ha revelado mediante experimentos que el deterioro de MXenes dentro de una solución acuosa se inhibe en condiciones básicas, en particular debido a una tasa de hidrólisis más lenta.
Se ha sugerido que la combinación de un microambiente básico con la introducción de un antioxidante específico es una técnica eficaz para inhibir tanto la hidrólisis como la oxidación de MXenes en soluciones acuosas, alargando así su vida útil. La extensión de la vida útil sería más larga de lo que hubiera sido posible con cualquiera de las estrategias individualmente.
El equipo concluyó que estos hallazgos son esenciales para una comprensión más profunda de la química asociada con MXenes y son igualmente esenciales para la formulación de técnicas de almacenamiento mejoradas.
Referencia
Huang, S. y Mochalin, V. (2022). La combinación de alto pH y antioxidante mejora la estabilidad química de los carburos y carbonitruros de metales de transición bidimensionales (MXenos) en soluciones coloidales acuosas. Química InorgánicaDisponible en: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c00537
