Większość materiałów MXene jest syntezowana przy użyciu procesów trawienia wspomaganych silnymi kwasami, co wiąże się z istotnymi zagrożeniami dla bezpieczeństwa. Ze względu na te trudności, ogromne znaczenie ma opracowanie bardziej ekologicznych, skalowalnych metod syntez. Wymaga to nie tylko zastosowania mniej szkodliwych substancji, ale również opracowania metod, które pozwolą na produkcję MXene na skalę przemysłową, bez ryzyka dla zdrowia i środowiska.

Jednym z kluczowych wyzwań związanych z MXene jest ich niska stabilność w atmosferze tlenowej. MXeny łatwo ulegają oksydacji w rozpuszczonych wodnych roztworach, co znacznie ogranicza ich szerokie zastosowanie przemysłowe, w tym w akumulatorach. Oksydacja wpływa na ich właściwości elektrochemiczne, a tym samym na ich efektywność w funkcji magazynowania energii, co stawia pod znakiem zapytania ich praktyczne wykorzystanie w długoterminowych aplikacjach, gdzie stabilność materiałów ma kluczowe znaczenie.

W przypadku MXene na bazie tytanu, stanowią one fundament większości badań w tej dziedzinie. Choć niektóre materiały MXene są teoretycznie przewidywane, a inne już odkryte, to nie zostały one jeszcze wystarczająco zgłębione pod kątem ich rzeczywistych możliwości zastosowań. Wiele z tych materiałów, pomimo dużego potencjału, charakteryzuje się niską przewodnością, co ogranicza ich możliwości w kontekście magazynowania energii. Dalsze badania powinny skupić się na identyfikowaniu nowych typów MXene o lepszych właściwościach elektrochemicznych, a także na doskonaleniu metod ich syntez, by mogły one spełniać wymagania nowoczesnych technologii magazynowania energii.

W kontekście akumulatorów, MXeny mogą być wykorzystywane jako materiały elektrodowe, zwłaszcza w technologii akumulatorów na lit czy sód, które zyskują coraz większe znaczenie w wyniku potrzeby poszukiwania alternatyw dla tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych. Jednakże ze względu na ich ograniczoną przewodność, materiały MXene często wymagają dodatków w postaci innych materiałów w celu poprawy ich właściwości. W tym kontekście bardzo obiecującą strategią jest tworzenie kompozytów MXene z innymi materiałami nanostrukturalnymi, takimi jak węgiel czy tlenki metali, które poprawiają przewodność elektryczną oraz stabilność elektrochemiczną.

Wśród obiecujących rozwiązań znajdują się także badania nad tworzeniem materiałów 3D z MXene, które mogą znacząco poprawić wydajność akumulatorów i superkondensatorów. Tego typu struktury, dzięki swojej porowatości, umożliwiają lepsze rozpraszanie ładunku, co przekłada się na wyższą wydajność energetyczną i szybsze ładowanie.

Pomimo obiecujących perspektyw, nadal istnieje wiele problemów do rozwiązania, zwłaszcza w zakresie skalowalności produkcji oraz zapewnienia odpowiedniej stabilności MXene w warunkach rzeczywistych. Kluczowe będzie opracowanie bardziej stabilnych wersji tych materiałów, które nie tylko poprawią ich właściwości elektrochemiczne, ale również pozwolą na ich wykorzystanie w długoterminowych aplikacjach przemysłowych, takich jak ogniwa akumulatorowe w pojazdach elektrycznych czy systemach magazynowania energii.

Jednakże, oprócz poprawy właściwości samych materiałów, nie mniej ważnym zagadnieniem pozostaje rozwój technologii syntez. Zrównoważona i ekologiczna produkcja MXene, szczególnie na skalę przemysłową, jest niezbędna, by te innowacyjne materiały mogły stać się szeroko dostępne. Dalsze badania powinny koncentrować się nie tylko na lepszym zrozumieniu właściwości elektrochemicznych MXene, ale także na opracowaniu takich metod ich produkcji, które będą mniej szkodliwe zarówno dla środowiska, jak i dla zdrowia ludzi.

Ważnym aspektem, który warto uwzględnić przy analizie MXene, jest również ich potencjał w zakresie recyklingu. Dzięki ich wyjątkowym właściwościom, MXeny mogą odegrać kluczową rolę w przyszłych technologiach recyklingu, zwłaszcza w kontekście odzyskiwania materiałów z zużytych baterii. Opracowanie metod odzyskiwania MXene z używanych urządzeń może przyczynić się do zmniejszenia wpływu tych materiałów na środowisko, przy jednoczesnym zachowaniu ich właściwości i ponownym wykorzystaniu w nowych produktach.

Jakie zmiany zachodzą w MXene podczas procesów utleniania i delaminacji?

W procesach badania powierzchni materiałów MXene, szczególnie tych opartych na tytanie, molibdenie oraz węgla, kluczowe są zmiany chemiczne i strukturalne, które wpływają na właściwości tych materiałów. Zjawisko, które jest powszechnie obserwowane w MXene, zachodzi w momencie, gdy warstwy Al w strukturze są zastępowane przez bardziej elektroujemne pierwiastki, co powoduje pewne przekształcenia chemiczne. Przykładem jest występowanie tlenków molibdenu (MoOx) w zakresie pasma wiązania (BE) wynoszącym 530 eV, co świadczy o obecności powierzchniowych grup tlenkowych.

Szczególnym przypadkiem jest Mo w postaci Mo5+ oraz Mo6+, które pojawiają się w obrębie pasm o wartościach BE 231,2 eV oraz 232,6 eV, odpowiadającym obecności tlenków na powierzchni. Dla odpowiedniego dopasowania widma XPS (spektroskopii fotoelektronów X) wystarczy tylko dwa składniki: Mo oraz Ti, w połączeniu z obecnością powierzchniowych tlenków. Ponadto, wykresy rozkładu pasma C 1s dla materiałów takich jak Mo2Ti2C2 i innych podobnych związków wykazują dominację grafitycznego węgla, który jest produktem ubocznym podczas syntez.

Warto zaznaczyć, że po procesie delaminacji, który ma na celu oddzielenie warstw materiału, zmieniają się proporcje poszczególnych składników węgla, zwłaszcza w zakresie tlenków węgla oraz grupy hydroksylowe (–OH). W niektórych przypadkach, jak w Mo2Ti2C3Tz, po delaminacji stężenie węgla grafitycznego rośnie, podczas gdy zmniejsza się ilość zanieczyszczeń w postaci węglowodorów.

Mówiąc o strukturze, warto dodać, że wysokorozdzielcza mikroskopia elektronowa (TEM) i transmisyjna mikroskopia elektronowa o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) są kluczowymi technikami do analizy powierzchniowych właściwości MXene. Dzięki tym metodom można uzyskać obrazy z magnifikacją na poziomie pięciu rzędów wielkości i analizować różne właściwości strukturalne, jak orientacje kryształów, przestrajanie faz czy wymiary płytek materiału. TEM pozwala na badanie struktury krystalograficznej materiału, co jest szczególnie przydatne w kontekście zmiany właściwości MXene w wyniku jego utleniania. W tym przypadku, rozkład warstw tlenków na powierzchni MXene jest uzależniony od planu krystalograficznego, a rozprzestrzenianie się tlenków wynika ze zmiany koordynacji atomów tytanu na powierzchni.

Zjawisko utleniania jest istotnym problemem w kontekście stabilności MXene w różnych warunkach środowiskowych. Szczególnie w atmosferze tlenowej, w temperaturze pokojowej, procesy utleniania mogą prowadzić do degradacji strukturalnej materiału. Jednakże badania wskazują, że interakcje między warstwami MXene oraz obecność kanałów pomiędzy nimi mogą mieć istotny wpływ na dynamikę tego procesu, co może być pomocne w tworzeniu bardziej odpornych na utlenianie wariantów MXene.

Badania te dostarczają nowych informacji na temat mechanizmów utleniania MXene w warunkach wody, powietrza i różnych substancji chemicznych, które mogą przyczynić się do dalszego rozwoju aplikacji tych materiałów w elektronice, energetyce i innych dziedzinach. Warto również pamiętać, że odpowiednia modyfikacja chemiczna, jak na przykład stosowanie różnych technik funkcjonalizacji powierzchni, może pomóc w kontrolowaniu stopnia utleniania i poprawie właściwości materiału.

Jak powstawały tanie magazyny Dzikiego Zachodu i co mówi to o kulturze masowej początku XX wieku?
Jak adaptacyjne filtrowanie grafów wspomaga klasyfikację obrazów hiperspektralnych?
Jak działa odwzorowanie konformalne w analizie zespolonej?
Jak Kara Walker przepisuje historię kolonializmu poprzez sztukę publiczną?
Jakie są najważniejsze zasady leczenia ostrej niewydolności nerek (AKI)?