Flashing erzeugt schwer erhältliches 2D-Bornitrid

Wissenschaftler der Rice University, die Materialien „flashen“, um Substanzen wie Graphen zu synthetisieren, haben ihre Aufmerksamkeit auf Bornitrid gelenkt, das wegen seiner thermischen und chemischen Stabilität hoch geschätzt wird.

Der Prozess des Rice-Labors des Chemikers James Tour setzt einen Vorläufer schnellem Erhitzen und Abkühlen aus, um zweidimensionale Materialien herzustellen, in diesem Fall reines Bornitrid und Borkohlenstoffnitrid. Beide waren bisher schwer in großen Mengen herzustellen und nahezu unmöglich in leicht löslicher Form herzustellen.

Der Laborbericht ist da Fortgeschrittene Werkstoffe beschreibt, wie die Flash-Joule-Heizung, eine vom Tour-Labor im Jahr 2020 eingeführte Technik, so eingestellt werden kann, dass gereinigte, mikroskopisch kleine Flocken aus Bornitrid mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten hergestellt werden.

Experimente mit dem Material zeigten, dass Bornitridflocken als Teil einer starken Korrosionsschutzbeschichtung verwendet werden können.

„Bornitrid ist ein sehr begehrtes 2D-Material“, sagte Tour. „Es in großen Mengen und jetzt mit gemischten Kohlenstoffmengen herstellen zu können, macht es noch vielseitiger.“

Auf der Nanoskala kommt Bornitrid in verschiedenen Formen vor, einschließlich einer hexagonalen Konfiguration, die wie Graphen aussieht, aber mit abwechselnden Bor- und Stickstoffatomen anstelle von Kohlenstoff. Bornitrid ist weich, daher wird es oft als Schmiermittel und als Zusatzstoff für Kosmetika verwendet und findet sich auch in Keramik und Metallverbindungen, um ihre Fähigkeit zu verbessern, mit hoher Hitze umzugehen.

Der Chemieingenieur von Reis, Michael Wong, berichtete kürzlich, dass Bornitrid ein wirksamer Katalysator bei der Zerstörung von PFAS ist, einer gefährlichen „unvergänglichen Chemikalie“, die in der Umwelt und im Menschen vorkommt.

Bei der Flash-Joule-Erwärmung werden Quellmaterialien zwischen zwei Elektroden in einem Rohr gefüllt und ein schneller Stromstoß durch sie geschickt. Für Graphen können die Materialien so ziemlich alles sein, das Kohlenstoff enthält, wobei Lebensmittelabfälle und gebrauchte Kunststoffautoteile nur zwei Beispiele sind. Das Verfahren hat auch erfolgreich Seltenerdelemente aus Kohleflugasche und anderen Rohstoffen isoliert.

In Experimenten, die von Rice-Doktorand Weiyin Chen geleitet wurden, führte das Labor je nach gewünschtem Produkt Ammoniakboran (BH3NH3) mit unterschiedlichen Mengen an Ruß in die Entspannungskammer ein. Die Probe wurde dann zweimal geblitzt, zuerst mit 200 Volt, um die Probe von Fremdelementen zu entgasen, und erneut mit 150 Volt, um den Vorgang abzuschließen, mit einer Gesamtblitzzeit von weniger als einer Sekunde.

Mikroskopbilder zeigten, dass die Flocken turbostratisch sind – das heißt falsch ausgerichtet sind wie schlecht gestapelte Platten – mit abgeschwächten Wechselwirkungen zwischen ihnen. Dadurch lassen sich die Flocken leicht trennen.

Sie sind auch leicht löslich, was zu den Korrosionsschutzexperimenten führte. Das Labor mischte Flash-Bornitrid mit Polyvinylalkohol (PVA), malte die Verbindung auf Kupferfolie und setzte die Oberfläche einer elektrochemischen Oxidation in einem Schwefelsäurebad aus.

Die geflashte Verbindung erwies sich beim Schutz des Kupfers als um mehr als 92 % besser als PVA allein oder eine ähnliche Verbindung mit kommerziellem hexagonalem Bornitrid. Mikroskopische Bilder zeigten, dass die Verbindung „gewundene Diffusionswege für korrosive Elektrolyte“ schuf, um das Kupfer zu erreichen, und auch die Migration von Metallionen verhinderte.

Chen sagte, die Leitfähigkeit des Vorläufers könne nicht nur durch Zugabe von Kohlenstoff, sondern auch mit Eisen oder Wolfram eingestellt werden.

Er sagte, das Labor sehe Potenzial für das Flashen zusätzlicher Materialien. „Vorläufer, die in anderen Methoden wie hydrothermaler und chemischer Dampfabscheidung verwendet wurden, können in unserer Flash-Methode ausprobiert werden, um zu sehen, ob wir mehr Produkte mit metastabilen Eigenschaften herstellen können“, sagte Chen. „Wir haben Metallkarbide in der metastabilen Phase und Übergangsmetalldichalkogenide aufblitzen lassen, und dieser Teil ist mehr Forschung wert.“