寧波材料所在二維層狀過渡金屬碳化物納米片研究上取得進展
二維層狀過渡金屬碳化物納米片(MXenes),是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型低維結(jié)構(gòu)材料。與石墨烯(Graphene)類似,它們擁有較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性,同時又具備特有的組分多樣性、層厚可控性以及結(jié)構(gòu)可調(diào)性。MXenes潛在的應(yīng)用研究主要集中在儲能材料、催化劑載體、吸附介質(zhì)和傳感器等領(lǐng)域上。比如Ti3C2、Ti2C、V2C、Nb2C等作為鋰離子電池和超級電容器的電極材料,具有較高的比容量(可達410 mAh/g @ 1 C)或體積比電容(可達900F/cm3)以及良好的充放電循環(huán)穩(wěn)定性等;而Ti3C2還可用于吸附污水中的二價鉛離子以到達凈水的目的,實驗得到的最大吸附量可達140mg/g;另外Ti3C2等MXenes材料還具有較高的載流子遷移率,在半導(dǎo)體器件中具有廣闊的應(yīng)用空間。
目前,MXenes的制備主要通過HF酸或NH4HF2溶液,在室溫或略高于室溫條件下對MAX相中的A層原子進行選擇性剝離獲得。中科院寧波材料所利用放電等離子快速燒結(jié)獲得的高純MAX相,通過控制MAX相材料中的M原子和A原子化學(xué)計量比,實現(xiàn)了MAX相的完全剝離和高質(zhì)量MXenes的穩(wěn)定合成。目前所獲得的V2C、Ti3C2等二維納米片具有單相純度高、氧化物雜質(zhì)少、尺寸可控、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。寧波材料所團隊已經(jīng)在智能材料及電極材料方面應(yīng)用MXene做了探索性工作,取得了初步的成果。如與寧波材料所陳濤研究員團隊合作開展了V2C@PDMADMA雜化材料的研究,獲得了具有良好的溫度、CO2雙重響應(yīng)的智能材料;與中科院蘭州化物所閻興斌研究員團隊合作,采用碳納米纖維橋連Ti3C2顆粒,得到了具有高比容量(320 mAh/g @ 1 C)優(yōu)異倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性(2900 cycles, at 100 C)的鋰離子電池負極材料。
以上工作已發(fā)表在如下國際化學(xué)期刊上:Chem. Comm.2015, 51, 314;J. Mater.Chem. A, 2015, 3, 14096。

圖(a)和(b)為MAX相粉體未經(jīng)控制M/A化學(xué)計量比剝離后獲得的MXene產(chǎn)物掃描電子顯微鏡微觀形貌圖片
(c)和(d)為MAX相粉體優(yōu)化M/A化學(xué)計量比后剝離產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡微觀形貌圖片
(納米事業(yè)部 黃慶)