結構二維過渡金屬碳化物和/或氮化物(MXenes)由于其獨特的物理化學性質引起了材料科學研究界的關注。然而，一種簡便、經濟的MXenes合成方法尚未見報道。近日，四川大學林紫鋒（通訊作者）和Patrice Simon（通訊作者）等人在知名期刊Nature com.上發表了題為“Li-ion storage properties of two-dimensional titanium-carbide synthesized via fast one-pot method in air atmosphere”的研究性論文。
作者報道了一種利用元素前驅體，通過形成鈦鋁碳化物，然后在一個熔鹽鍋中進行原位腐蝕來合成MXene的方法。熔鹽作為反應介質，在高溫合成過程中阻止了反應物的氧化，因此可以在空氣環境中合成MXenes，而不需要使用惰性氣體保護。使用這種一鍋合成法制備了Cl端基的Ti3C2Tx和Ti2CTx MXenes，在700 °C下的原位刻蝕步驟只需要大約10分鐘。當用作半電池結構的非水鋰離子存儲活性材料時，得到的Ti2CTx MXene在0.1 A g?1和2 A g?1的比電流下分別表現出約280 mAh g?1和160 mAh g?1的容量。
以Ti、Al、C為原料，在空氣條件下一鍋合成Ti3C2Tx MXene的原理圖。RT代表室溫。樣品球團中Ti：Al：C：NaCl：KCl的摩爾比為3：1.2：1.9：3：3，合成時間為460 mins。
圖a顯示了Ti3C2Tx MXene在APS溶液中清洗10分鐘后的一維(1D)和二維(2D)同步X射線衍射(SXRD)圖。二維X射線衍射圖譜中的衍射環與一維X射線衍射圖譜中的衍射峰相對應。實驗衍射峰與計算峰吻合較好，證實了Ti3C2TxMXene的存在。在這項工作中，選擇了在700 °C下刻蝕10分鐘制備的Ti3C2Tx MXene樣品進行進一步的研究。低倍(圖b)的Ti3C2Tx MXene樣品的SEM圖像顯示出許多平均尺寸小于5 μm的多層顆粒，表明層狀MXenes的制備成功。
700 °C腐蝕10 min制備的Ti3C2Tx Mxene的原子結構分析
高分辨率的TEM圖像(圖a)顯示了幾十納米寬和幾微米長的Ti3C2Tx MXene條帶的存在。每個薄帶包含許多Ti3C2Tx層(圖b)。原子分辨HAADF-STEM結合晶格分辨能譜進一步獲得了Ti3C2Tx MXene的局域結構和組成信息。對于每個Ti3C2Tx MXene層，在圖c，d中的插圖中清楚地觀察到五個原子層。結合EDS映射結果(圖e)，用紅色箭頭標記的中心較亮的原子表示Ti原子，而綠色箭頭表示Ti3C2Tx MXene層表面存在的Cl原子。Cl原子位于Ti原子中心層的頂部。這一發現與密度泛函理論(DFT)計算結果一致。
研究了MXenes在1M LiPF6/碳酸乙烯-碳酸二甲酯電解液中儲存鋰離子的電化學性質。圖a顯示了以0.5 mV s?1的掃描速率記錄的Ti3C2Tx和Ti2CTx電極的循環伏安(CV)曲線。在0.1-2 V的電位范圍內，無明顯氧化還原峰的矩形和高度對稱的循環伏安曲線表明鋰離子的儲存機制是假電容的，這與之前報道的熔鹽衍生的MXenes保持一致。圖c顯示了來自恒流測試的Ti2CTx電極的電壓分布。對Ti2CTx電極進行了電化學阻抗譜測量，測量結果如圖d所示。在所有奈奎斯特曲線上都觀察到低頻阻抗虛部的快速增加。
MXenes來自空氣中的元素前體。由于不需要惰性氣體保護，大大簡化了合成操作，與傳統的合成方法相比，一鍋法縮短了整個合成時間。Ti3C2Tx和T2CTx MXenes是在700 °C快速腐蝕10分鐘，整個合成時間不到8 h的條件下制備的。鋰離子儲存研究表明，一鍋法合成的Mxenes和之前報道的Lewis熔融酸蝕得到的Mxenes具有相似的電化學特征。結果表明，一鍋法合成的Mxenes和T2CTx Mxenes的電化學特征與之前報道的Lewis熔融酸蝕刻法得到的Mxenes的電化學特征相似。作者相信，一鍋合成法為以較低的生產成本方便、快速地合成MXene材料鋪平了道路，并揭示了MXene材料在儲能領域的潛在應用前景。
Li-ion storage properties of two-dimensional titanium-carbide synthesized via fast one-pot method in air atmosphere (Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-25306-y)
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25306-y
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