Excellence in Research: Development of a Non-Fluorinated Etching Procedure to Prepare MXene Hybrid Materials for Composite Applications

卓越研究:开发非氟化蚀刻工艺来制备用于复合材料应用的 MXene 混合材料

基本信息

项目摘要

NON-TECHNICAL DESCRIPTION: MXenes are 2D materials with excellent electrical/magnetic properties for use in a number of applications such as electromagnetic radiation shielding, supercapacitors and batteries. In this project, a team of researchers at the Florida A & M University (FAMU), FAMU-FSU (Florida State University) College of Engineering (COE), and Clark Atlanta University (CAU-Chemistry), aim to prepare a class of MXenes with homogenous surface functionality using a less hazardous procedure. This novel method of synthesizing MXenes will open new avenues of developing hybrid materials for different applications and the generation of unique composite materials. Subsequently, this project seeks to increase the number of undergraduate and graduate minority students enrolling in engineering and science programs to pursue advanced degrees through involvement in MXene materials research. Student interest about graduate programs and summer research opportunities will also increase, leading to the establishment of a 2+3 dual-degree engineering program. TECHNICAL DETAILS: MXenes are derived from MAX phases, where the A element, usually aluminum, is removed by etching with toxic hydrogen fluoride. The systematic investigation of MXene with a novel non-fluorine based method using the following research aims to understand the synthesis/etching/exfoliation processes using a non-fluorinated etching procedure allows for control of the resultant microstructure and macroscopic properties crucial to MXenes applications: 1) Preparing MXenes with improved stability and homogenous surface functionality using non-fluorinated etching techniques on MAX phases. 2) Understanding the impact of this etching process on the MXene chemistry, morphology, and chemical environment on rheological, electronic, and magnetic/spin properties. 3) Building a MXene model based on specific functional groups terminations using thermodynamic stability calculations of bromine or other functional group terminations, geometry optimizations for single and bilayer MXene structures, and vibrational frequency calculations to compare with experimental results. 4) Developing novel MXene composite structures for manufacturing devices with desirable magnetic and electronic properties. 5) Exploring the suitability of a novel etch method for other types of MAX phases. The findings from this EiR project will contribute to institutional change by aligning the qualities of interdisciplinary research with educational outcomes and exposing students to new chemical synthesis and exfoliation techniques, instrumentation at the National High Magnetic Field Lab (NHMFL) national user facility, and 3D printing using state-of-the-art equipment to fabricate MXene structures and devices.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术描述:MXene 是具有优异电/磁性能的 2D 材料,可用于电磁辐射屏蔽、超级电容器和电池等多种应用。在该项目中,佛罗里达农工大学 (FAMU)、FAMU-FSU(佛罗里达州立大学)工程学院 (COE) 和克拉克亚特兰大大学 (CAU-化学) 的研究人员团队旨在准备一类使用危险性较小的程序获得具有均质表面功能的 MXene。这种合成 MXene 的新方法将为开发不同应用的混合材料和生成独特的复合材料开辟新途径。随后,该项目旨在增加注册工程和科学课程的本科生和研究生少数族裔学生的数量,通过参与 MXene 材料研究来攻读高级学位。学生对研究生课程和暑期研究机会的兴趣也将增加,从而建立2+3双学位工程课程。 技术细节:MXene 源自 MAX 相,其中 A 元素(通常是铝)通过有毒氟化氢蚀刻去除。使用以下研究,采用新颖的非氟基方法对 MXene 进行系统研究,旨在了解使用非氟化蚀刻程序的合成/蚀刻/剥离过程,从而控制对 MXene 应用至关重要的最终微观结构和宏观特性:1 ) 在 MAX 相上使用非氟化蚀刻技术制备具有更高稳定性和均匀表面功能的 MXene。 2) 了解该蚀刻过程对 MXene 化学、形态和化学环境对流变、电子和磁/自旋特性的影响。 3) 使用溴或其他官能团末端的热力学稳定性计算、单层和双层 MXene 结构的几何优化以及振动频率计算来与实验结果进行比较,构建基于特定官能团末端的 MXene 模型。 4) 开发新型 MXene 复合结构,用于制造具有所需磁和电子性能的设备。 5) 探索新型蚀刻方法对其他类型 MAX 相的适用性。该 EiR 项目的研究结果将通过将跨学科研究的质量与教育成果结合起来,让学生接触新的化学合成和剥离技术、国家强磁场实验室 (NHMFL) 国家用户设施的仪器以及 3D 打印,从而促进制度变革。使用最先进的设备来制造 MXene 结构和设备。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Vanadium MXenes materials for next-generation energy storage devices
用于下一代储能设备的钒MXenes材料
  • DOI:
    10.1088/1361-6528/acc539
  • 发表时间:
    2023-03-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Ayomide Adeola Sijuade;V. Eze;Natalie Y. Arnett;O. Okoli
  • 通讯作者:
    O. Okoli
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  • 发表时间:
    2023-11-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Ayomide Adeola Sijuade;F. Bellevu;Sanjay Kumar Devendhar Singh;Mostafizur Rahman;Natalie Arnett;O. Okoli
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