Hydrothermale Synthese Metallkarbid-abgeleiteter Metalloxidnanopartikel und deren Eignung für elektrochemische Energiespeicher (electro-MOXen)

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398028893

Das beantragte Projekt beschäftigt sich mit der Synthese von Metallkarbid-abgeleiteten Metalloxidnanopartikel für elektrochemische Anwendungen. Je nach Syntheseweg können reine Metalloxidpartikel oder Hybridsysteme aus Metalloxid und Kohlenstoff oder Metalloxid und Karbid hergestellt werden. Zur Synthese dieser Systeme werden MAX-Phasen in MXene (2D-Karbide) umgewandelt und diese zu den entsprechenden Metalloxiden bzw. Hybriden oxidiert. Unter MAX-Phasen versteht man eine Gruppe von nanolaminierten, ternären Metallkarbiden, -karbonitriden und -nitriden. Durch selektive Entfernung der A-Atome durch HF-Behandlung können zweidimensionale Metallkarbide (M-X-Lagen) hergestellt werden, welche als MXene bezeichnet werden. Durch anschließende Oxidation können aus den entschichteten MXen-Lagen Metalloxidnanopartikel bzw., je nach Umwandlungsgrad und Syntheseparameter, Metalloxid/Karbid-Hybride oder Metalloxid/Kohlenstoff-Hybride synthetisiert werden.In Vorarbeiten konnten verschiedene MAX-Phasen, wie z.B. Ti3AlC2 und Ti3SiC2 hergestellt werden und mittels HF-Behandlung zu MXenen umgewandelt werden. Auch eine entsprechende Umwandlung von Ti3C2 (MXen) zu TiO2-Schichten (MOXen) war mittels Oxidationsschock bei hohen Temperaturen möglich bzw. einfachen, hydrothermalen Vorversuchen möglich. Dennoch sind noch viele wissenschaftliche Fragen offen, insbesondere fehlt ein Verständnis von Synthese-Struktur-Eigenschaft Beziehungen und der Vergleich zwischen verschiedenen MXen-Phasen. Im Rahmen des beantragen Projektes sollen verschiedene 211-MAX-Phasen mit einheitlicher Partikelkristallinität und gleicher Partikelgröße, aber unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung hergestellt werden. Speziell geht es um V2AlC, Ti2AlC und Nb2AlC) (Variation von M) und (Ti,Nb)2AlC sowie (Ti,V)2AlC (Mischphasen M). Die Überführung in zweidimensionale Metallkarbide (MXene) wird ausschließlich durch HF-Behandlung erfolgen, da diese sich als sehr reproduzierbar erwiesen hat. Die Transformation von MXenen zu MOXenen soll durch ein Hydrothermalverfahren mit H2O oder KOH in einem Autoklav realisiert werden, wobei je nach Synthesebedingung eine vollständige Oxidation erreicht werden kann (Metalloxidnanopartikel) oder eine Nanohybridisierung mit Karbid oder Kohlenstoff. Derartige Nanohybride sind in besonderem Maße für elektrochemische Anwendungen interessant, da sich neben der elektrochemisch aktiven Speicherphase (Metalloxid) eine leitfähige Phase (Kohlenstoff) befindet, welche die Leifähigkeit des Hybrids und die elektrochemische Leistung typischerweise enorm steigert. Alle elektrochemischen Messungen sollen in organischem Elektrolyt hinsichtlich Li+ und Na+ Interkalation untersucht und hinsichtlich Speicherkapazität, Leistung und Stabilität nach dem aktuellen Stand der Forschung charakterisiert werden. Zusätzliche Untersuchungen mittels in situ Methoden werden zur Verständnisvertiefung des Speicherprozesses durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen