ҚАЗАҚСТАНДЫҚ ПРЕКУРСОРЛАРДЫ ҚОЛДАНА ОТЫРЫП, Ti2AlC СИНТЕЗ ПРОЦЕСІН КӨПДЕҢГЕЙЛІ ОҢТАЙЛАНДЫРУ

2D MXene материалдары өзінің көпфункционалдылығымен қолданылуына байланысты айтарлықтай қызығушылық тудырады. MXene материалдары тиісті MAX фазалардан алынады, олардың синтезі әртүрлі жоғары температуралық әдістермен (1100-ден 1450 ℃-қа дейін) жүзеге асырылады. Ti2AlC – сәйкес 2D материалын шығаратын MAX фазаларының өкілдерінің бірі-Ti2C. Ti2C-тің ең көп тараған қолданылуы суперконденсаторлардың белсенді электрод материалы және сутегі бөліну реакцияларының катализаторлары үшін матрица ретінде кездеседі. Бұл жұмыста біз Ti2AlC материалының синтезін зерттеп, соңғы өнімнің массасы бойынша ең үлкен шығымдылыққа қол жеткізу үшін процесті көп деңгейлі оңтайландыруды жүргіземіз. Зерттеу нәтижелері бойынша оңтайлы температура мен синтез уақыты сәйкесінше 1350 ℃ және 2 сағатты құрады.

Бұл жұмыстың ерекшеліктерінің бірі – Қазақстандық прекурсорларды пайдалану және процесті масштабтаумен эксперименттер жүргізу (1-ден 100 г өнімге дейін), бұл болашақта Ti2AlC материалының коммерциялық синтезін жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Оңтайлы жағдайда синтезделген Ti2AlC-тен Ti2C сәтті алынды, ол суперконденсатор үшін электрод материалы ретінде пайдаланылды және коммерциялық Ti2C-мен салыстыруға болатын электрохимиялық сипаттамаларды көрсетті.

1. Backes C. et al. Guidelines for Exfoliation, Characterization and Processing of Layered Materials Produced by Liquid Exfoliation // Chem. Mater. American Chemical Society. –2017. –Vol. 29, No. 1. – P. 243–255.

2. Naguib M. et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2 // Adv. Mater. John Wiley & Sons, Ltd. – 2011. – Vol. 23, No. 37. – P. 4248–4253.

3. Anasori B., Lukatskaya M.R., Gogotsi Y. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage // Nat. Rev. Mater. – 2017. – Vol. 2, No. 2. – P. 16098.

4. Wei Y. et al. Advances in the Synthesis of 2D MXenes // Adv. Mater. John Wiley & Sons, Ltd. – 2021. – Vol. 33, No. 39. – P. 2103148.

5. Fu L., Xia W. MAX Phases as Nanolaminate Materials: Chemical Composition, Microstructure, Synthesis, Properties, and Applications // Adv. Eng. Mater. John Wiley & Sons, Ltd. – 2021. – Vol. 23, No. 4. – P. 2001191.

6. Naguib M. et al. 25th Anniversary Article: MXenes: A New Family of Two-Dimensional Materials // Adv. Mater. John Wiley & Sons, Ltd. – 2014. – Vol. 26, No. 7. – P. 992–1005.

7. Lukatskaya M.R. et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides // Nat. Energy. – 2017. – Vol. 2, No. 8. – P. 17105.

8. Seh Z.W. et al. Two-Dimensional Molybdenum Carbide (MXene) as an Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution // ACS Energy Lett. American Chemical Society. – 2016. – Vol. 1, No. 3. – P. 589–594.

9. Delgado S. et al. Catalytic activity of 2D MXenes toward electroreduction processes: Oxygen reduction and hydrogen evolution reactions // Int. J. Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 55. – P. 1050–1061.

10. Barsoum M.W. The MN+1AXN phases: A new class of solids: Thermodynamically stable nanolaminates // Prog. Solid State Chem. – 2000. – Vol. 28, No. 1. – P. 201–281.

11. Skakov M. et al. Effect of a High-Temperature Treatment on Structural-Phase State and Mechanical Properties of IMC of the Ti-25Al-25Nb at.% System // Materials. – 2022. – Vol. 15, No. 16.

12. Sun Z. et al. Calculated elastic properties of M2AlC (M=Ti, V, Cr, Nb and Ta) // Solid State Commun. – 2004. – Vol. 129, No. 9. – P. 589–592.

13. Lei W. et al. Direct synthesis and characterization of single-phase tantalum nitride (Ta2N) nanocrystallites by dc arc discharge // J. Alloys Compd. – 2008. – Vol. 459, No. 1. – P. 298–301.

14. Starodubtseva A. et al. Evaluation of perspectives for the synthesis of Ti3AlC2 in Kazakhstan for supercapacitor application // Chem. Bull. Kazakh Nat. Univ. – 2024. – Vol. 113, No. 4 SE-Inorganic Chemistry.

15. Zhou A. 2 - Methods of MAX-phase synthesis and densification – II / ed. Low I.M.B.T.-A. in S. and T. of M.P. Woodhead Publishing. – 2012. P. 21–46.

16. Khan M.U. et al. Factors influencing synthesis and properties of MAX phases // Sci. China Mater. – 2024. – Vol. 67, No. 11. – P. 3427–3455.

17. Toby B.H., Von Dreele R.B. GSAS-II: The genesis of a modern open-source all purpose crystallography software package // J. Appl. Crystallogr. International Union of Crystallography. – 2013. – Vol. 46, No. 2. – P. 544–549.

18. Ghidiu M. et al. Conductive two-dimensional titanium carbide ‘clay’ with high volumetric capacitance // Nature. – 2014. – Vol. 516, No. 7529. – P. 78–81.

19. Haemers J., Gusmão R., Sofer Z. Synthesis Protocols of the Most Common Layered Carbide and Nitride MAX Phases // Small Methods. – 2020. – Vol. 4, No. 3.

20. Gauthier-Brunet V. et al. Reaction synthesis of layered ternary Ti2AlC ceramic // J. Eur. Ceram. Soc. – 2009. – Vol. 29, No. 1. – P. 187–194.

21. https://legacy.materialsproject.org/materials/mp-12990/

22. Kurra N. et al. Mapping (Pseudo)Capacitive Charge Storage Dynamics in Titanium Carbide MXene Electrodes in Aqueous Electrolytes Using 3D Bode Analysis // Energy Storage Materials. – 2021. – Vol. 39. – P. 347 353.