Síntese de novos materiais MXenes

Resumo

A recente descoberta da família de compostos bidimensionais lamelares denominada de "MXenes" tem atraído grande atenção da comunidade científica devido as suas peculiares características estruturais e eletrônicas, que tornam estes materiais interessantes para diversas aplicações. "MXenes" é a denominação de um grupo de carbetos, nitretos e carbonitretos de metais de transição bidimensionais obtida pela delaminação de um composto 3D conhecido como fase MAX, com estequiometria definida como M(n+1)AXn, com n = 1, 2, or 3, no qual "M" é um metal de transição do bloco d, "A" é um elemento dos grupos 13 ou 14 (em geral, Si, Al, Ge ou Sn) e "X" é carbono, nitrogênio, ou ambos. Essas fases apresentam estrutura hexagonal (grupo espacial P63/mmc), onde as camadas "M" e "A" são intercaladas. Os átomos "X" se situam em posições intersticiais do octaedro formado por elementos "M". Os MXenes tem fórmula geral M(n + 1)XnTx (n = 1-3), onde M representa um metal de transição (por exemplo, Sc, Ti, Zr, Nb dentre outros), X is carbono e/ou nitrogênio e Tx representa terminações hidroxila, oxigênio ou flúor derivadas do processo de síntese. Desde a descoberta do composto Ti3C2Tx em 2011, aproximadamente 30 MXenes foram sintetizados e diversos outros foram previstos teoricamente. Alguns MXenes tem sido investigados quanto a sua utilização em conversão e armazenagem de energia (eletrodos para supercapacitores, células solares, baterias de íons de Li e de Na, células a combustível, etc.), demonstrando alta potencialidade para estas aplicações mas diversos MXenes já sintetizados ainda não foram testados como eletrocatalisadores e outros, previstos teoricamente, nem ainda foram sintetizados. O primeiro desafio no desenvolvimento de novos MXenes diz respeito a produção de uma fase MAX precursora apropriada por sinterização reativa. Esta rota de síntese em estado sólido demanda um ajuste cuidadoso dos diversos parâmetros de processamento pois há uma competição entre as fases que possivelmente podem ser formadas durante o processamento, demandando em conhecimentos sobre os aspectos termodinâmicos e cinéticos das transformações de fase que podem ocorrer durante a sinterização para se obter fases MAX de alta pureza. Para se obter MXenes, a fase MAX precursora deve ser atacada quimicamente e esfoliada para remover a camada atômica de elemento "A" e produzir lamelas de carbetos (geralmente) binários. Existem diversos protocolos para produção dos MXenes reportados na literatura e há uma constante busca por protocolos que minimizem a utilização de reagentes químicos perigosos, como o HF. A composição química e microestrutura dos MXenes tem sido projetada visando a melhoria de suas propriedades de interesse. Uma abordagem interessante para controlar as propriedades dos MXenes, ainda pouco explorada, é a adição de elementos de liga nestes compostos com a inserção de um segundo metam de transição. No caso de MXenes a base de Ti, tem sido inseridos os elementos Nb, V e Zr para a produção de soluções sólidas de MXenes, como observado nos casos dos compostos (Ti0.5V0.5)3C2, (Nb0.8,Ti0.2)4C3Tx e (Nb0.8,Zr0.2)4C3Tx. Essa abordagem pode ser utilizada no controle da composição química do composto, mas também na sua microestrutura (por exemplo, na síntese de soluções sólidas ordenadas ou desordenadas). Além disso, o controle de grupos funcionais na superfície dos MXenes (O, F, e OH) oriundos das rotas de síntese ou de tratamentos de superfície é uma outra possível forma de otimizar as propriedades eletrocatalíticas dos MXenes. Neste projeto, novos MXenes serão produzidos com composições químicas, microestruturas e terminações superficiais projetadas visando otimizar as propriedades eletrocatalíticas para RDH e RRO. (AU)