From the development of bronze to the doping of silicon, the discovery and enhancement of materials have played a critical role in enabling disruptive technologies. With the increasing demand for device miniaturization and sustainability, two-dimensional (2D) nanomaterials have gained significant attention since the discovery of graphene, owing to their unique morphology and size. Among these, MXenes exhibit exceptional structural and chemical diversity, making them promising for various applications, such as energy storage and catalysis. 

Despite substantial progress, optimizing the properties of nanomaterials remains essential for overcoming current technological challenges. One strategy for this optimization is defect engineering, which involves the intentional creation of structural defects, such as vacancies. Currently, MXene properties can be modified by altering their composition (e.g., metal elements and/or surface terminations) and introducing ordered vacancies with fixed defect fractions. This thesis presents an alternative approach: the creation of randomly distributed vacancies and vacancy clusters with tunable defect content. 

Paper I introduces the concept of generating random vacancies in 2D MXenes by incorporating a sacrificial element in the parent MAX phase. Specifically, the Mo2Ga2C MAX phase was alloyed with Cr and etched in an HF solution, removing both Cr and Ga atoms. The resulting Mo2-xCTz MXenes exhibited surface defects and enhanced capacitance values. Paper II further expands this approach, demonstrating that varying the Cr content in the precursor results in MXenes with different defect fractions. The limits of Cr incorporation in the precursor phases were investigated through both simulations and experiments. Additionally, 2D MXenes with varying defect concentrations were synthesized, and electrochemical characterizations indicated that the defect concentration could be optimized for superior performance. 

These findings suggest that this defect engineering strategy provides a viable pathway to control defect concentrations and tune MXene properties. In principle, this approach could be extended to other MAX phases and sacrificial elements, unlocking new possibilities for the development of MXenes with novel and enhanced properties.  

Från utveckling av brons till dopning av kisel har upptäckter och förbättringar av material haft en avgörande roll för att möjliggöra banbrytande teknologier. Med ökade krav på t.ex. allt mindre komponenter och hållbarhet har två-dimensionella (2D) material fått allt större uppmärksamhet på grund av en unik morfologi och unika egenskaper. Bland 2D-material uppvisar MXener en stor kemisk mångfald, vilket gör dem lovande för en mängd tillämpningar, såsom energilagring och katalys.

Trots betydande framsteg är det viktigt att fortsätta optimera materialegenskaper, för att lösa nuvarande tekniska utmaningar. En strategi för att trimma materialegenskaper är defektdesign, som handlar om att avsiktligt skapa strukturella defekter, såsom vakanser. Nuförtiden kan egenskaper hos så kallade MXener modifieras genom att ändra materialets sammansättning (t.ex. val av metall och/eller yttermineringar) och introducera ordnade vakanser i specifika defektkoncentrationer. Denna avhandling presenterar ett alternativt tillvägagångssätt: skapandet av slumpmässigt fördelade vakanser och vakanskluster med skräddarsydd defektkoncentration.

Artikel I introducerar konceptet att generera slumpmässigt fördelade vakanser i 2D MXener genom att blanda in ett extra atomslag i den ursprungliga MAX-fasen, som sedan omvandlas till 2D. För att sammanfatta, så legerades Mo2Ga2C med Cr och etsades sedan i en HFlösning, vilket avlägsnade både Cr och Ga. Detta resulterade i Mo2-xCTz MXener, med påvisade defekter och förbättrade kapacitansvärden. I Artikel II utökades detta tillvägagångssätt ytterligare, vilket visar att olika Cr-innehåll i ursprungsmaterialet resulterar i MXener med olika defektkoncentrationer. Gränserna för Cr-innehåll i MAX-fasen undersöktes genom både simuleringar och experiment. Dessutom syntetiserades 2D MXener med varierande defektkoncentrationer, och elektrokemisk karakterisering indikerade att defektkoncentrationen kunde optimeras för att få betydligt förbättrade egenskaper.

Presenterade resultat tyder på defektdesign som en möjlig väg för att kontrollera defektkoncentrationer och optimera MXene-egenskaper. I princip skulle denna strategi kunna utvidgas till andra MAX-faser och andra atomslag, vilket öppnar för nya möjligheter vad gäller utveckling av MXener med nya och förbättrade egenskaper.