Veden puhdistus 2D-MXeeneilla (Ti3C2Tx)

Abstract

Puhtaan ja juomakelpoisen veden tarve on kasvanut viime vuosikymmeninä teollistumisen ja väestönkasvun myötä. Pintavesistöihin pääsee saasteita, kuten lääkeainejäämiä, raskasmetalleja ja orgaanisia väriaineita, esimerkiksi jäteveden laskemisen välityksellä. Veden puhdistukseen tarvitaan siksi uusia keinoja ja materiaaleja, joilla näitä kontaminantteja voidaan poistaa. MXeenit ovat epäorgaanisia 2D-materiaaleja, jotka on löydetty vuonna 2011. MXeeneilla on useita suotuisia ominaisuuksia vedenpuhdistuksessa, kuten erinomainen adsorptiokyky, suuri aktiivinen pinta-ala, hydrofiilisyys, materiaalin huokoisuus sekä kemiallinen stabiilius. MXeenien syntetisoiminen tapahtuu vesiliuoksessa, jossa MAX-rakenteesta poistetaan A-kerrokset etsaamalla. MAX-rakenteen yleinen kaava on Mn+1AXn, jossa M on siirtymämetalli, A on useimmiten pääryhmän 13 tai 14 alkuaine, X on hiili ja/tai typpiatomi ja n on kokonaisluku väliltä 1—3. Tutkielmassani on keskitytty Ti3C2Tx-rakenteeseen, joka syntetisoidaan etsaamalla alumiinikerrokset pois Ti3AlC2-lähtöaineesta. Tx tarkoittaa funktionaalista pintaryhmää, joka synteesin yhteydessä saadaan muodostettua vaihtelevien titaani- ja hiilikerrosten pinnalle. Tx voi olla etsauksessa käytetyistä kemikaaleista riippuen esimerkiksi fluori, hydroksyyliryhmä tai ketonihappi. Etsauksessa käytettävien kemikaalien huolellinen valinta on tärkeää, koska ne vaikuttavat MXeenin funktionaalisten pintaryhmien muodostukseen ja siten saatavan MXeenin ominaisuuksiin. MXeenien etsauksessa käytetään usein vetyfluoridin (HF) vesiliuosta, mutta sen voimakas myrkyllisyys ja haitallisuus ympäristölle rajoittaa sen käyttöä. Tämän vuoksi turvallisemmille synteesimenetelmille on suuri kysyntä. Etsauksen jälkeen MXeenia pestään, jonka seurauksena se delaminoituu ja siitä voidaan muodostaa kalvomateriaalia tai partikkelimaista materiaalia. Ti3C2Tx-MXeenien rakenteen ja pintaryhmien hallittu valmistus on tärkeää, jotta voidaan optimoida niiden vedenpuhdistusominaisuudet ja hyödyntää niitä tehokkaasti tulevaisuuden ympäristöteknologiasovelluksissa.