MXene

Graphen besteht aus nur einer Atomlage und weist für zahlreiche Anwendungen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und einer besonders hohen Elektronenmobilität große Potenziale auf. In einem interdisziplinären Forschungsprojekt erforschen Empa-Forschende nun eine neue Klasse zweidimensionaler Materialien, die sogenannten MXene.

Ultradünne Superkondensatoren dank MXenen

2D-Materialien, die nur aus einer einzigen Schicht an Atomen bestehen, werden seit 15 Jahren erforscht. Die Zweidimensionalität verleiht ihnen viele vorteilhafte Eigenschaften, sei es in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit oder die mechanische Robustheit und kann zu besonderen quantenphysikalischen Effekten führen. Das wohl bekannteste zweidimensionale Material ist Graphen, eine Form des Kohlenstoffs. Aber es ist nicht das einzige. Ein aufsteigender Stern am 2D-Himmel trägt den Namen MXene.

Im Gegensatz zum Graphen, das nur aus Kohlenstoffatomen besteht, können MXene eines oder mehrere Übergangsmetalle in Kombination mit Stickstoff oder Kohlenstoff enthalten. Hergestellt werden sie aus sogenannten MAX-Phasen: keramischen Kristallen, die einen schichtförmigen Aufbau haben. Durch die Zugabe einer starken Säure werden die Zwischenschichten heraus geätzt. Die verbleibenden Schichten, die nun nicht mehr chemisch verbunden sind, werden im Ultraschallbad voneinander getrennt.

„Dadurch, dass die MAX-Phasen aus so vielen verschiedenen Elementen und Kombinationen davon bestehen können, lassen sich maßgeschneiderte MXene für zahlreiche Anwendungen herstellen“, erklärt Empa-Forscher Jakob Heier. Noch sind die potenziellen Alleskönner allerdings weder weit verbreitet noch gut verstanden. Eine Forschungsinitiative der Empa unter Heiers Leitung hat zum Ziel, das zu ändern.

Die Initiative „TailorX“ ist ein sogenannter „Research Booster“, bei dem mehrere Forschungsgruppen innerhalb der Empa zusammenarbeiten, um ein aufstrebendes Thema während zwei Jahren gründlich zu beleuchten und als Forschungsrichtung zu etablieren. Der ganzheitliche Ansatz lohnt sich, denn: „Wir decken die gesamte Bandbreite ab, von der Grundlagenforschung und Modellierung über die Herstellung von MAX-Phasen und MXenen bis hin zu den Anwendungen“, so Heier. „Es ist eine große Stärke der Empa, dass all diese Kompetenzen an einem Institut zusammenkommen.“

Das Projekt wurde 2024 gestartet und neigt sich dem Ende zu. Die Mitinitianten sind mit den Resultaten zufrieden. „Wir haben nun ein großes Portfolio an unterschiedlichen MAX-Phasen, die wir mit einem hohen Reinheitsgrad synthetisieren können“, sagt Michael Stuer vom Labor für Hochleistungskeramik.

Die Synthese der Ausgangskristalle ist nämlich nicht ganz einfach; es reicht nicht, bloß die gewünschten Elemente in den richtigen Proportionen miteinander zu mischen. „Durch ein besseres Verständnis der Synthese konnten wir zahlreiche MAX-Phasen von unterschiedlicher chemischer Komplexität synthetisieren, die noch nicht auf dem Markt erhältlich sind“, führt Stuer aus.

Unterstützung bekamen die Synthese-Fachleute vom Nanotech-Labor, dessen Forschende unterschiedliche KI-Modelle für die MAX-Phasen und MXene entwickelt haben. Damit lassen sich die Synthese der Phasen und ihre individuelle Geometrie vorhersagen und verstehen. Die Modellierung ist aber auch für die Anwendung der MXene zentral, denn so kann die Interaktion von MXenen mit CO₂ beschreiben werden.

Die Absorption und Umwandlung von Kohlendioxid ist ein Schwerpunkt bei den möglichen Anwendungen für die MXene. Dank ihrer großen Oberfläche können die 2D-Materialien potenziell CO₂ aus der Luft „einfangen“ und auch dabei helfen, es in nutzbare Rohstoffe umzuwandeln, ganz im Sinne der groß angelegten Forschungsinitiative der Empa „Mining the Atmosphere“.

Damit ist das Potenzial der MXene indes nicht ausgeschöpft. Die vielseitigen 2D-Nanoteilchen könnten auch in der breiteren Katalyse, in der Energiespeicherung oder in der Sensorik zur Anwendung kommen. Und sogar in der Medizin: Dort versprechen bestimmte MXene antimikrobielle Wirkung oder gezielte Krebstherapie. In diesem Sinne untersuchen die Projektbeteiligten gemeinsam mit Forschenden der Empa in St. Gallen auch ihre Wirkung auf lebende Zellen sowie auf die Umwelt.

Bei der Umweltverträglichkeit steht auch die Herstellung der MXene im Fokus. Um sie aus den MAX-Phasen zu ätzen kommen nämlich in der Regel stark ätzende Säuren zum Einsatz. Das ist nicht nur gefährlich für den Mensch und belastend für die Umwelt, sondern auch kostspielig.

Im „TailorX“-Projekt haben Shanyu Zhao und sein Team nicht nur an den Anwendungen und der Charakterisierung der MXene gearbeitet, sondern auch eine alternative Methode zu ihrer Exfoliation aus der MAX-Phase entwickelt. „Unser Prozess verzichtet auf die aggressive und gefährliche Flusssäure und ist zudem effektiver und schonender, was ihn sowohl nachhaltig als auch skalierbar macht“, so Zhao.

Das Ende des „Research Booster“ ist für die Forschenden nun der Anfang ihrer Arbeit mit den vielseitigen 2D-Materialien. Sie haben bereits weitere Projekte gestartet, bei denen es darum geht, die MXene in unterschiedlichste Anwendungen zu bringen, beispielsweise in leistungsstarke Superkondensatoren, neuartige Batterien, elektromagnetisch isolierende Aerogele und medizinische Sensoren.

www.empa.ch