【科學(xué)網(wǎng)】碳氮化物2D材料合成有新法
路易斯酸熔鹽合成MXene示意圖
日前，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所黃慶課題組與四川大學(xué)、法國(guó)圖盧茲大學(xué)和瑞典林雪平大學(xué)等學(xué)者合作，發(fā)展出路易斯酸熔鹽合成MXene的通用方法。相關(guān)研究成果于近日在線發(fā)表于《自然—材料》。
碳氮化物（MXenes）是2D材料系列的最新成員之一，具有獨(dú)特的2D層狀結(jié)構(gòu)，親水性表面和金屬導(dǎo)電性，在諸多領(lǐng)域尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。已有研究表明高導(dǎo)電MXene具有很強(qiáng)的吸波能力，在5G網(wǎng)絡(luò)中的抗電磁干擾有潛在的應(yīng)用。
不過(guò)，目前MXenes的制備主要通過(guò)含氟離子溶液選擇性刻蝕一種被稱(chēng)為MAX相的陶瓷材料的鋁原子層。可采用的含氟離子溶液包括，氫氟酸水溶液、氟化鋰和鹽酸的混合物或氟化氫銨等。在這些含氟離子溶液中制備MXenes，存在不環(huán)保、實(shí)驗(yàn)操作危害性大、廢物和廢液處置難度與成本較高等諸多問(wèn)題。
針對(duì)這些問(wèn)題，研究人員在最新發(fā)表的研究中發(fā)現(xiàn)，由鈦、鋁、碳三種元素組成的MAX相在氯化物熔鹽中會(huì)發(fā)生顯著的反應(yīng)，熔鹽中的銅、鐵、鈷、鎳、銀、鎘等陽(yáng)離子作為路易斯酸發(fā)揮了氫氟酸的作用，從而創(chuàng)造性地使用路易斯酸熔鹽剝離MAX相合成出MXene。
同時(shí)，研究人員通過(guò)電化學(xué)測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，路易斯酸熔融鹽剝離策略制備的MXene電極在0.2-2.2V電壓區(qū)間的恒流充放電曲線，且在循環(huán)2400次后，容量保持率達(dá)90%，具有較好的充放電對(duì)稱(chēng)性和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，這為MXene在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)（電池和鋰離子電容器）的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。
與傳統(tǒng)制備方式相比，該方法具有更“廣普”的應(yīng)用前景，可以推廣到含有眾多鋁、硅、鋅、鎵等元素的MAX相，這將極大擴(kuò)充獲得高質(zhì)量和多功能性MXene的先驅(qū)體材料即MAX相的選擇空間，為“自上而下”合成二維材料（MXene）提供全新的思路。
黃慶表示，目前的研究只從高溫熔鹽電化學(xué)基本原理揭示了MXene刻蝕機(jī)制，但對(duì)于MAX相A位單原子層氧化還原過(guò)程和MXene表面化學(xué)行為尚未明晰，未來(lái)期待更多的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)該方法能夠在自己的實(shí)驗(yàn)室方便地合成出高質(zhì)量的MXene，推動(dòng)其在儲(chǔ)能和催化等前沿研究的發(fā)展。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0657-0
?。ㄔ陌l(fā)布于2020年5月3日科學(xué)網(wǎng)）
【原文鏈接】http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2020/5/2020560305977756251.shtm