Synthese en karakterisering van MXeen gebaseerde electrodes voor energieopslag.

Mn+1AXn MAX fase keramieken omvatten een materiaalfamilie van nanogelamineerde verbindingen die bestaan uit een vroeg overgangsmetaal (M), een selecte groep A-elementen (A), aangevuld met koolstof en/of stikstof (X). MAX fasen ontlenen hoogst ongebruikelijke deels metallische en deels keramische eigenschappen aan hun gelaagde kristalopbouw die bovendien doelgericht chemisch geëtst en gedelamineerd kan worden. De 2D materialen die hieruit ontstaan, worden MXenen genoemd en vertonen een groot actief specifiek oppervlak met actieve functionele groepen, elektrische geleidbaarheid vergelijkbaar met metalen en een uiterst aanpasbare samenstelling. Deze dissertatie heeft als doel om een brede fundamentele beschouwing te geven van het compleet syntheseproces van MXenen: startend bij de vorming van de MAX fase precursoren en hun exfoliatie, het verwerken van MXenen in dispersie en in matrixmaterialen en de daarbij horende functionele eigenschappen. Vanuit een holistische visie en een fundamentele aanpak worden de implicaties vanaf het sinterproces op de finale eigenschappen van het MXeen besproken en, omgekeerd, wordt het initiële productieproces aangepast om aan materiaalvereisten vanuit een specifieke toepassing te kunnen voldoen. Het opzuiveren van MAX fasen is een onontbeerlijke, maar uiterst uitdagende opgave vanuit het perspectief van hoogwaardige structurele (nucleaire) toepassingen, maar ook vanuit het oogpunt van MXeen productie. Twee complementaire, maar synergetische methodologieën worden aangereikt om de vorming van secundaire fasen in MAX fase keramieken te onderdrukken. De eerste methode omvat het reactief sinteren van poedermengsels met transitiemetaal hydride precursoren, die thermisch ontbinden in uiterst fijne en reactieve metaaldeeltjes die de diffusie-gelimiteerde vorming van antecedentfasen bij lage temperatuur vergemakkelijken en bijgevolg de ongewenste vorming van carbiden verhinderen. De tweede methode maakt gebruik van de strategie om vaste oplossingen te vormen, waarbij meerdere elementen op de M- en A-deelroosters van de MAX fase kristallografische eenheidscel gelegeerd worden op een manier die de relatieve atoomstralen op beide deelroosters nauwkeurig in balans brengt. Immers, het verlichten van roosterspanningen van sterische oorsprong vermijdt het uiteenvallen van de MAX fase en laat toe om virtueel fasezuivere MAX fase keramieken te produceren in uiterst complexe systemen. Door beide strategieën te combineren in een poging om de intrinsiek ongunstige diffusiekinetiek in complexe kristallen te overwinnen zijn succesvol fasezuivere complexe MAX fase vaste oplossingen geproduceerd in zowel het (Ti,V,Zr,Nb,Hf,Ta)-(Al,Sn)-C als het (Ti,Zr)-(Al,Zn,Sn,Pb,Bi)-C systeem. Voorts heeft een fundamentele studie op de MAX fase vorming in het Hf-Al-C systeem een complexe topotactische transformatie aan het licht gebracht tussen Hf2AlC en Hf3AlC2 die de gebruikelijke MAX fase vormingsreacties niet blijkt te volgen. Vanuit de observatie van ongebruikelijke inconsistenties in de stapelvolgorde van de MAX fases en de vorming van een intermediaire Hf5Al2C3 superstructuur is vervolgens een alternatieve vormingsreactie geponeerd die tevens enkele merkwaardige experimentele waarnemingen zou kunnen verklaren. Voortbordurend op een uitgebreide en kritische lezing van de vele mogelijke manieren om MAX fasen te delamineren en in een poging om de fundamentele chemie achter het etsen met de vaak aangehaalde LiF/HCl MILD methode uit te klaren, zijn enkele schokkende beperkingen van de etsmethode blootgelegd en aangepakt. De persistente verbinding Li3AlF6 die tijdens het etsproces precipiteert, is uitgebreid gedocumenteerd en vervolgens selectief verwijderd middels een eenvoudige nabehandeling met zwavelzuur. Daarenboven zijn enkele bijkomende proceshandelingen voorgesteld met het oog op het opschalen van het verwerken van MXenen die toelaten om de geëtste klei droog te op te slaan in lucht in poedervorm. Het praktisch nut van MXenen is geëtaleerd in de vorm van enkele toepassingen vanuit chemisch-mechanische en elektronische hoek. Koolstofvezels werden behandeld met een MXeen-bevattende coating die de hechting tussen vezel en matrix verbetert en bijgevolg de interfase verstevigt. Dit is mogelijk door de actief functionele groepen op het MXeen oppervlak die uiterst compatibel zijn met polaire oplosmiddelen en polymeren, waaronder ook DMF en PVDF. Homogene en getextureerde MXeen/PVDF nanocomposieten zijn geproduceerd die als diëlektricum de laagfrequente permittiviteit van PVDF met 4 ordegroottes verbeteren zonder grote toename van de verliesstromen. Daarnaast is de mogelijkheid om elektromagnetische straling af te schermen kort aangetoond. Samengevat heeft deze dissertatie als doel om vanuit een sterke fundamenteel materiaalkundige basis de productie en verwerking van gelaagde keramieken te begrijpen en te beheersen teneinde een synthesekader te creëren dat de volgende lichting onderzoekers helpt om het maximale potentieel van MAX fasen en MXenen te kunnen benutten.