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Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien

Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen

Als Materialien für Elektroden in Akkus und Superkondensatoren haben sich aufgrund ihrer metallischen Leitfähigkeit und ihrer Wasserverträglichkeit sogenannte MXene etabliert. Darüber hinaus eignen sie sich für Anwendungen wie die photothermische Krebstherapie, elektromagnetische Abschirmung, Wasseraufbereitung und Gassensorik. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Forscher jetzt eine neue Methode zur Herstellung des MXenes Titancarbid vor. Anstatt das konventionelle, aber teure Titanaluminiumcarbid zu verwenden, ätzen sie Silizium selektiv aus Titansiliziumcarbid heraus, das eine kostengünstigere und gebräuchlichere Vorstufe darstellt.
Zweidimensionale Materialien aus extrem dünnen Lagen, die nur wenige Atome dick sind, haben einzigartige Eigenschaften, die ganz anders ausfallen als die ihrer dreidimensionalen Varianten. Prominentestes Beispiel ist Graphen, das aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen besteht. 2011 wurde an der Drexel University (Philadelphia, USA) eine neue Klasse zweidimensionaler Materialien synthetisiert: Diese sogenannten MXene werden aus Übergangsmetall-Carbiden und –Nitriden hergestellt. Das M steht dabei für ein Übergangsmetall, wie Titan, Vanadium oder Molybdän, das X kann Kohlenstoff und/oder Stickstoff sein. Viele verschiedene Verbindungen dieses Typs sind möglich, etwa 30 wurden bereits experimentell bestätigt, Dutzende weitere werden erwartet. Titancarbid Ti3C2 ist ein bekanntes MXen.
Um die begehrten MXene zu erhalten, muss man einen Umweg wählen: Aus schichtartig aufgebauten Carbiden bzw. Nitriden, die als MAX-Phasen bezeichnet werden, ätzt man mit Flusssäure selektiv die Schichten aus dem „A-Element“ heraus, einem Element der 3. oder 4. Hauptgruppe, beispielsweise Aluminium, Silicium oder Germanium. So lässt sich Titancarbid durch Herausätzen von Aluminium aus Titanaluminiumcarbid Ti3AlC2 gewinnen. Dieser Ausgangsstoff ist jedoch teuer und die Herstellung ist komplex. Das Silizium-Analogon Titansiliziumcarbid Ti3SiC2 ist dagegen kommerziell erhältlich und günstiger. Ti3SiC2 war die erste MAX-Phase, die Wissenschaftler der Drexel University 2011 selektiv mit Flusssäure ätzen wollten. Sie blieben jedoch erfolglos, da die Siliziumatome sehr fest an die benachbarten Übergangsmetallatome gebunden sind.

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Redaktion: Dipl.-Ing. Fahima Fischer
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