Met antioxidanten als vitamine C kun je de veelbelovende nanomaterialen MXenen stabiliseren, wat ze veel geschikter maakt voor toepassingen, rapporteren Texaanse onderzoekers in het tijdschrift Matter.

MXeen (spreek uit: ‘maxeen’) is een relatief nieuw nanomateriaal dat veel eigenschappen heeft die hun toepassing kunnen vinden in batterijen, sensoren en supercondensatoren. Ze bestaan uit een combinatie van een overgangsmetaal zoals titaan, vanadium of neodymium (de ‘M’) en koolstof, stikstof of beiden (de ‘X’) en zijn georganiseerd in 2D-nanosheets. Na de ontdekking in 2011 is er veel onderzoek naar gedaan, maar het enthousiasme rond de fysische en elektrochemische eigenschappen wordt een beetje gesmoord door de lage stabiliteit: de meeste MXenen oxideren snel en vallen binnen een paar dagen tot maximaal weken uit elkaar.

Xiaofei Zhao, Micah Green en collega’s van de Artie McFerrin Department of Chemical Engineering aan de Texas A&M University hebben daar een simpele oplossing voor bedacht dat in ieder geval al voor een aantal MXenen werkt. Het blijkt dat als je natriumascorbaat (het natriumzout van vitamine C) gebruikt als antioxidant in een waterige dispersie de stabiliteit ontzettend omhooggaat. Zo veel zelfs dat de MXenen die de wetenschappers een jaar geleden een behandeling hebben gegeven nog steeds stabiel zijn.

Het team van Green testte het veelgebruikte MXeen Ti₃C₂T_x (conform de chemische formule M_n+1X_nT_x met n = 1–3), waarbij T_x staat voor het aantal verschillende uiteindes (terminal groups) zoals hydroxyl, zuurstof, fluoride of chloor. Welke je daarvan hebt is afhankelijk van het zuur dat je gebruikt tijdens de productie van het MXeen. De polariteit van de uiteindes zorgt voor sterke hydrofiliciteit en elektronegativiteit, waardoor ze in water een suspensie vormen.

De verbeterde stabiliteit heeft waarschijnlijk te maken met de interactie van het ascorbaat met de randen van de nanosheets. Zonder ascorbaat degraderen de nanosheets tot TiO₂ en koolstof en verliezen ze snel vorm en geleidingsvermogen. De titaanatomen aan de rand van een sheet hebben een grotere hoekspanning dan die in het vlak. Watermoleculen breken dan titaan-koolstofbindingen en vormen Ti–O, wat uiteindelijk leidt tot meer sites waar oxidatie plaats kan vinden.

Met reaxFF-simulaties probeerden de onderzoekers te kijken hoe ascorbaat de sheets beschermt en het lijkt erop dat het negatieve O-atoom van het L-ascorbaatanion associeert met titaanatomen aan de rand van de nanosheets. De ascorbaatmoleculen zorgen er verder voor dat nabijgelegen sites niet met water kunnen reageren. ’With these findings, shelf-stable MXenes become possible and engineering-grade MXene-based materials can become a practical reality’, concluderen de auteurs.