Les MXènes sont une famille de carbures et de nitrures de métaux de transition bidimensionnels (2D) dotés de propriétés intrinsèques supérieures telles qu’une conductivité électrique élevée, une transparence optique, une bonne résistance mécanique et une stabilité thermique. Cependant, les MXènes sont sujets à une dégradation oxydative sévère relativement rapidement, ce qui entraîne une détérioration rapide de leurs performances et limite leur utilité dans la plupart des environnements.
Hossein Alijani, un Ph.D. chercheur, avec le nouveau dispositif antirouille. Crédit d’image : Université RMIT
Une étude récente publiée dans la revue Communication Nature se penche sur cette problématique en exposant des films de MXène oxydé à de très brèves vibrations électromécaniques à haute fréquence, conduisant à une élimination efficace de la couche d’oxyde et permettant de récupérer leurs performances électriques et électrochimiques.
MXenes : pourquoi sont-ils importants ?
Les MXenes sont une nouvelle classe de matériaux bidimensionnels (2D) qui ont retenu l’attention en raison de leurs propriétés uniques et de leurs applications potentielles dans divers domaines. Les MXènes sont dérivés d’une famille de composés appelés phases MAX, une classe de carbures et de nitrures ternaires.
Les MXenes ont un large éventail de propriétés qui les rendent utiles pour une variété d’applications, y compris le stockage d’énergie, le blindage contre les interférences électromagnétiques et la purification de l’eau.
Les MXenes se sont avérés avoir une conductivité élevée, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans les appareils électroniques. Ils ont également une surface spécifique élevée, ce qui peut être utile pour les applications d’adsorption et de catalyse.
De plus, les MXenes sont très flexibles et robustes et ont une stabilité thermique élevée. Ces propriétés font des MXenes un matériau prometteur pour une utilisation dans diverses applications, notamment le stockage d’énergie, le blindage contre les interférences électromagnétiques et la purification de l’eau. Ils sont également à l’étude pour une utilisation dans des applications biomédicales, telles que l’ingénierie tissulaire et l’administration de médicaments.
Défis et limites liés aux MXenes
Les MXenes ont montré un grand potentiel dans diverses applications ; cependant, des défis importants doivent encore être relevés avant qu’ils puissent être largement adoptés. L’une des principales limitations des MXènes est leur sensibilité à la dégradation oxydative lorsqu’ils sont exposés à l’air humide ou à des environnements aqueux.
Cela les amène à se dégrader rapidement, limitant leur applicabilité dans la plupart des conditions pratiques et lorsqu’une opération à plus long terme est recherchée. De plus, une fois qu’une couche d’oxyde se développe à la surface du matériau, elle ne peut être éliminée que par des acides puissants, qui endommagent également les MXènes.
Par conséquent, des efforts sont nécessaires pour prolonger la durée de conservation de MXene afin d’assurer son potentiel de traduction en une réalité commercialisable. Jusqu’à présent, les efforts se sont concentrés sur l’augmentation de la durabilité oxydative des MXènes en prolongeant leur dynamique d’oxydation, soit lors de la synthèse préliminaire, soit plus tard pendant le stockage. Cependant, il existe toujours un besoin pour un procédé simple et rapide de récupération et de restauration des MXènes oxydés.
Faits saillants de l’étude en cours
L’étude a été menée à l’aide d’une gamme d’échantillons de MXène à base de Ti synthétisés à l’aide de la méthode d’exfoliation liquide. Les échantillons ont été exposés à de l’air humide ou à des environnements aqueux, et leur dégradation oxydative a ensuite été suivie pendant plusieurs heures à plusieurs jours.
La formation d’oxydes, tels que le dioxyde de titane (TiO2) à la surface des échantillons de MXene, a également été analysée à l’aide de diverses techniques de caractérisation, notamment la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à balayage (SEM) et la microscopie électronique à transmission (TEM).
Pour étudier les moyens de prolonger la durée de conservation des MXenes, les chercheurs ont également évalué diverses méthodes pour améliorer la stabilité oxydative des matériaux. Cela comprenait le stockage des échantillons de MXene dans des conteneurs hermétiques à basse température, ainsi que l’utilisation de divers traitements chimiques et processus de recuit pour retarder la cinétique d’oxydation.
L’efficacité de ces méthodes a été évaluée en analysant les échantillons avant et après traitement à l’aide de ces techniques de caractérisation. De plus, l’équipe a également tenté de récupérer et de restaurer les MXènes oxydés en utilisant divers traitements acides.
Constatations et perspectives d’avenir
Les résultats des travaux de recherche actuels ont démontré une méthode simple et rapide pour récupérer et restaurer les MXènes oxydés. La méthode consiste à exposer les MXènes à une solution d’hydrate d’hydrazine, réduisant efficacement la couche d’oxyde à la surface du matériau.
Il en résulte une amélioration significative des performances électrochimiques des MXènes et une prolongation de leur durée de conservation. Les chercheurs ont également découvert que les MXènes récupérés maintenaient leur intégrité structurelle et ne présentaient aucun signe de dommage ou de dégradation.
En termes de perspective future, cette recherche ouvre de nouvelles possibilités d’utilisation des MXenes dans des environnements pratiques où un fonctionnement à plus long terme est souhaité. La capacité de récupérer et de restaurer les MXènes oxydés offre une solution potentielle au problème de la détérioration rapide des performances et de la durée de conservation qui limitait auparavant leur utilité.
Les chercheurs suggèrent également que cette méthode pourrait être étendue à d’autres carbures et nitrures de métaux de transition, ce qui pourrait encore étendre les applications potentielles des MXènes.
Un mot des chercheurs
“L’oxyde de surface, qui est la rouille, est difficile à éliminer, en particulier sur ce matériau, qui est beaucoup, beaucoup plus fin qu’un cheveu humain“, a déclaré Hossein Alijani, co-auteur de l’étude.
Les méthodes actuelles utilisées pour réduire l’oxydation reposent sur le revêtement chimique du matériau, ce qui limite l’utilisation du MXene sous sa forme native. Dans ce travail, nous montrons que l’exposition d’un film MXène oxydé à des vibrations à haute fréquence pendant une minute seulement élimine la rouille sur le film. Cette procédure simple permet de récupérer ses performances électriques et électrochimiques.
Hossein Alijani, co-auteur, Ph.D. Candidat, École d’ingénieurs, RMIT
Référence
Ahmed, H. et al. (2023). Récupération de MXènes bidimensionnels oxydés par vibration électromécanique à haute fréquence à l’échelle nanométrique. Communication Nature. Disponible à: https://doi.org/10.1038/s41467-022-34699-3
Source: Université RMIT