Blinken erzeugt hart

Wissenschaftler der Rice University, die Materialien „flashen“, um Substanzen wie Graphen zu synthetisieren, haben ihre Aufmerksamkeit auf Bornitrid gerichtet, 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 Bornkohlenstoffnitrid. Bisher war es schwierig, beides in großen Mengen herzustellen, und es war nahezu unmöglich, es in leicht löslicher Form herzustellen.

Der Bericht des Labors in Advanced Materials beschreibt detailliert, wie die Blitz-Joule-Erwärmung, eine vom Tour-Labor im Jahr 2020 eingeführte Technik, angepasst werden kann, um gereinigte, mikroskopisch kleine Flocken aus Bornitrid mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt herzustellen.

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

„Bornitrid ist ein sehr gefragtes 2D-Material“, sagte Tour. „Die Möglichkeit, es in großen Mengen und jetzt mit gemischten Mengen an Kohlenstoff herzustellen, macht es noch vielseitiger.“

Auf der Nanoskala kommt Bornitrid in verschiedenen Formen vor, einschließlich einer hexagonalen Konfiguration, die wie Graphen aussieht, aber abwechselnd Bor- und Stickstoffatome anstelle von Kohlenstoff enthält. Bornitrid ist weich und wird daher häufig als Schmiermittel und als Zusatz zu Kosmetika verwendet. Außerdem kommt es in Keramik und Metallverbindungen vor, um deren Widerstandsfähigkeit gegenüber hoher Hitze zu verbessern.

Michael Wong, Chemieingenieur bei Rice, berichtete kürzlich, dass Bornitrid ein wirksamer Katalysator sei, der dabei helfe, PFAS zu zerstören, eine gefährliche „ewige Chemikalie“, die in der Umwelt und beim Menschen vorkommt.

Bei der Flash-Joule-Erhitzung werden Ausgangsmaterialien zwischen zwei Elektroden in einer Röhre gestopft und ein schneller Stromstoß durch sie geleitet. Bei Graphen kann es sich bei den Materialien um nahezu alles handeln, was Kohlenstoff enthält. Lebensmittelabfälle und gebrauchte Autoteile aus Kunststoff sind nur zwei Beispiele. Mit dem Verfahren konnten auch Seltenerdelemente erfolgreich aus Kohleflugasche und anderen Rohstoffen isoliert werden.

In Experimenten unter der Leitung des Rice-Doktoranden Weiyin Chen führte das Labor je nach gewünschtem Produkt Ammoniakboran (BH3NH3) mit unterschiedlichen Mengen Ruß in die Entspannungskammer ein. Anschließend wurde die Probe zweimal geblitzt, zunächst mit 200 Volt, um die Probe von Fremdelementen zu entgasen, und dann noch einmal mit 150 Volt, um den Vorgang abzuschließen, wobei die gesamte Blitzdauer weniger als eine Sekunde betrug.

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

Außerdem sind sie leicht löslich, was zu den Antikorrosionsexperimenten führte. Das Labor mischte Flash-Bornitrid mit Polyvinylalkohol (PVA), strich die Verbindung auf einen Kupferfilm und setzte die Oberfläche einer elektrochemischen Oxidation in einem Schwefelsäurebad aus.

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

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

Er sagte, das Labor sehe Potenzial für das Flashen zusätzlicher Materialien. „Vorläufer, die in anderen Methoden wie hydrothermischer und chemischer Gasphasenabscheidung 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 das Aufblitzen metastabiler Phasenmetallcarbide und Übergangsmetalldichalkogenide nachgewiesen, und dieser Teil ist weitere Forschung wert.“

Mitautoren der Studie sind die Rice-Alumni John Tianci Li, Wala Algozeeb, Paul Advincula, Emily McHugh und Duy Xuan Luong, die Doktoranden Chang Ge, Zhe Yuan, Jinhang Chen, Kexin Ling, Chi Hun Choi, Kevin Wyss und Zhe Wang. Forscher Guanhui Gao und Yimo Han, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Nanotechnik. Tour ist TT- und WF-Chao-Lehrstuhl für Chemie sowie Professor für Informatik sowie für Materialwissenschaften und Nanotechnik an der Rice University.

Das Air Force Office of Scientific Research (FA9550‐19‐1‐0296), das US Army Corps of Engineers (W912HZ‐21‐2‐0050) und die Welch Foundation (C‐2065‐20210327) unterstützten die Forschung.

Turbostratischer Bor-Kohlenstoff-Stickstoff und Bornitrid durch Flash-Joule-Heizung: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202666

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Partikel aus mechanisch geschertem Flash-Bornitrid, gesehen durch ein Rasterelektronenmikroskop. Der Pfeil zeigt die Richtung der auf das Material ausgeübten Scherkraft. Der an der Rice University entwickelte Flash-Joule-Erhitzungsprozess erzeugt turbostratische Materialien mit schwachen Wechselwirkungen zwischen den Schichten, wodurch sie leichter zu trennen sind. (Quelle: Reisegruppe/Rice University)

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Eine Abbildung vergleicht Flocken aus hexagonalem Bornitrid (oben) und turbostratischem Bornitrid (unten), wobei letzteres durch den an der Rice University entwickelten Flash-Joule-Erhitzungsprozess synthetisiert wurde. Zweidimensionale Materialien sind turbostratisch, wenn die Wechselwirkungen zwischen ihren Schichten schwach sind, wodurch sie sich leichter trennen und lösen lassen. (Quelle: Reisegruppe/Rice University)

Rice Lab verwandelt Müll im Handumdrehen in wertvolles Graphen: https://news.rice.edu/news/2020/rice-lab-turns-trash-valuable-graphene-flash

Autos könnten ein „auffälliges“ Upgrade bekommen: https://news.rice.edu/news/2022/cars-could-get-flashy-upgrade

Verbrennende Plastikasche vervollständigt das Recycling: https://news.rice.edu/news/2021/flashing-plastic-ash-completes-recycling

Maschinelles Lernen optimiert Flash-Graphen: https://news.rice.edu/news/2022/machine-learning-fine-tunes-flash-graphene

Reisegruppe: https://www.jmtour.com

Fachbereich Chemie: https://chemistry.rice.edu

Wiess School of Natural Sciences: https://naturalsciences.rice.edu

Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report regelmäßig zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice verfügt über hoch angesehene Fakultäten für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und ist die Heimat des Baker Institute for Public Policy. Mit 4.240 Studenten im Grundstudium und 3.972 Studenten im Aufbaustudium beträgt das Verhältnis von Studenten zu Fakultät an Rice knapp 6 zu 1. Sein Wohnhochschulsystem baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur einer der Gründe, warum Rice im Princeton Review auf Platz 1 für viele Interaktionen zwischen Rasse und Klasse und auf Platz 1 für Lebensqualität steht. Rice wird auch von Kiplingers Personal Finance als beste Privatuniversität eingestuft.