맥신(MXenes)

맥신(MXenes)

재료과학에서 MXenes는 2차원 무기화합물의 한 종류다. 이 물질들은 전환 금속 탄화수소, 질산염 또는 탄산염의 몇 개의 아톰 두께 층으로 구성되어 있다. 2011년에 처음 설명된 MXenes는 수산화물 또는 산소 종단 표면 때문에 전이 금속 탄화물 및 친수성 성질의 금속 전도성을 결합한다.

HF 에칭을 통해 준비된 As-syntheme MXenes는 아코디언과 같은 형태학을 가지고 있는데, 이것은 5개 이하의 층이 있을 때 다층 MXene(ML-MXene) 또는 소수층 MXene(FL-MXene)라고 할 수 있다. MXenes의 표면은 기능 그룹에 의해 종료될 수 있기 때문에 명명 규칙 Mn+1XnTx를 사용할 수 있으며 여기서 T는 기능 그룹(예: O, F, OH, Cl)이다.

모노 전환 금속 MXenes
MXenes는 M-site에 하나의 금속이 있는 3개의 구조를 채택하며, M2C, M3C2, M4C3의 상위 MAX 단계에서 유전된다. 그것들은 MAX상 또는 일반 공식 Mn+1AXn을 가진 다른 레이어드 전구체(예: Mo2Ga2C)에서 A 요소를 선택적으로 식각하여 생성되는데, 여기서 M은 초기 전환 금속이며, A는 주기율표 13 또는 14의 요소, X는 C 및/또는 N이며, n = 1–4이다. MAX 위상은 P63/mmc 대칭으로 층을 이룬 육각형 구조를 가지고 있는데, 여기서 M층은 거의 밀폐되어 있고 X 원자는 팔면 부지를 채운다. 따라서 Mn+1Xn 층은 A 원소와 인터리빙되어 M 원소에 야금적으로 접합된다.

이중 전이 금속 MXenes
MXene 탄화물은 두 개의 전이 금속으로 구성된 합성되었다. 이 새로운 계열의 MXenes는 일반적인 공식 M'2M"C2, M'2M"2C3 또는 M'4M"C4를 가지고 있는데 여기서 M'과 M'은 서로 다른 전이 금속이다. 합성된 이중 전환 금속 카바이드에는 Mo2TiC2, Mo2Ti2C3, Cr2TiC2, Mo4VC4가 포함된다. 이러한 일부 MXenes(Mo2TiC2, Mo2Ti2C3, Cr2TiC2)에서 Mo 또는 Cr 원자는 MXene의 외부 가장자리에 있으며 이러한 원자는 MXene의 전기화학적 특성을 제어한다. Mo4VC4 또는 (Mo,V)4C3과 같은 다른 금속과 함께 고체 용액에서 구조 전체에 랜덤하게 분포한다.

MXenes는 일반적으로 하향식 선택적 식각 공정에 의해 합성된다. 이 합성 경로는 배치 크기가 증가함에 따라 속성 손실이나 변화가 없는 확장성이 있는 것으로 나타났다. MAXene을 에칭하여 생성하는 MXene은 주로 불산(HF), 암모늄 비플루오라이드(NH4HF2)와 같은 불소 이온(F-)을 함유하고 염산(HCL)과 플루오르화 리튬(LiF)을 혼합한 강력한 에칭 용액을 사용하여 발생한다. 예를 들어 상온에서 수용성 HF에서 Ti3AlC2를 에칭하면 A (Al) 원자가 선택적으로 제거되고, 카바이드 층의 표면은 O, OH 및/또는 F 원자에 의해 종료된다. MXene은 ZnCl2와 같은 루이스 산 용융염에서도 얻을 수 있으며, Cl 단자를 실현할 수 있다. Cl-terminated MXene은 750 °C까지 구조적으로 안정적이다.

MXene Ti4N3은 보고된 최초의 질산염 MXene이며, 탄화수소 MXenes에 사용된 것과 다른 절차에 의해 준비된다. Ti4N3을 합성하기 위해 MAX상 Ti4AlN3은 리튬 불소화, 나트륨, 불소화칼륨의 용융된 eutectic 불소 소금 혼합물과 혼합되어 높은 온도에서 처리된다. 이 절차는 Al을 에칭하여 다층 Ti4N3을 산출하며, 이는 수산화 테트라부티아미늄에 MXene을 담가 소닉화에 따라 단층 및 소수 층으로 추가적으로 검출될 수 있다.

페르미 수준에서 높은 전자 밀도를 가진 MXene 모노레이저는 금속성이 예측된다. MAX 단계에서 N(EF)은 대부분 M 3d 궤도이며, EF 아래의 발란스 상태는 2개의 서브 밴드로 구성되어 있다. 하이브리드 Ti 3d-Al 3p 궤도로 만들어진 1개의 서브밴드 A는 EF 근처에 있고, 다른 1개의 서브밴드 B는 EF 아래의 -10-3eV로 하이브리드화된 Ti 3d-C 2p와 Ti 3d-Al 3s 궤도에 기인한다. 다르게 말하면, 서브밴드 A는 티알 채권의 원천이고 서브밴드 B는 티알 채권의 원천이다. A 층을 제거하면 Ti 3d 상태가 누락된 Ti-Al 채권에서 재분배되어 Ti2의 Fermi 에너지 근처에서 Ti-Ti 금속 결합 상태가 분해되므로, MXenes의 경우 N(EF)이 MAX 단계보다 2.5~4.5배 높다. 실험적으로, MXenes에 대해 예측된 높은 N(EF)이 해당 MAX 단계보다 높은 저항성으로 이어지는 것으로 나타나지 않았다. Ti2의 페르미 레벨에서 O2p(~6eV) 및 F2p(~9eV) 밴드의 에너지 위치CTx와 Ti3C2Tx는 모두 흡착 부위와 종료 종에 대한 결합 길이에 의존한다.

표면 종단이 없는 MXenes만 자성이 될 것으로 예측된다. Cr2C, Cr2N, Ta3C2는 강자성일 것으로 예측되며, Ti3C2와 Ti3N2는 반자성일 것으로 예측된다. 이러한 자기적 특성은 아직 실험적으로 입증되지 않았다.