结构二维过渡金属碳化物和/或氮化物(MXenes)由于其独特的物理化学性质引起了材料科学研究界的关注。然而，一种简便、经济的MXenes合成方法尚未见报道。近日，四川大学林紫锋（通讯作者）和Patrice Simon（通讯作者）等人在知名期刊Nature com.上发表了题为“Li-ion storage properties of two-dimensional titanium-carbide synthesized via fast one-pot method in air atmosphere”的研究性论文。
作者报道了一种利用元素前驱体，通过形成钛铝碳化物，然后在一个熔盐锅中进行原位腐蚀来合成MXene的方法。熔盐作为反应介质，在高温合成过程中阻止了反应物的氧化，因此可以在空气环境中合成MXenes，而不需要使用惰性气体保护。使用这种一锅合成法制备了Cl端基的Ti3C2Tx和Ti2CTx MXenes，在700 °C下的原位刻蚀步骤只需要大约10分钟。当用作半电池结构的非水锂离子存储活性材料时，得到的Ti2CTx MXene在0.1 A g−1和2 A g−1的比电流下分别表现出约280 mAh g−1和160 mAh g−1的容量。
以Ti、Al、C为原料，在空气条件下一锅合成Ti3C2Tx MXene的原理图。RT代表室温。样品球团中Ti：Al：C：NaCl：KCl的摩尔比为3：1.2：1.9：3：3，合成时间为460 mins。
图a显示了Ti3C2Tx MXene在APS溶液中清洗10分钟后的一维(1D)和二维(2D)同步X射线衍射(SXRD)图。二维X射线衍射图谱中的衍射环与一维X射线衍射图谱中的衍射峰相对应。实验衍射峰与计算峰吻合较好，证实了Ti3C2TxMXene的存在。在这项工作中，选择了在700 °C下刻蚀10分钟制备的Ti3C2Tx MXene样品进行进一步的研究。低倍(图b)的Ti3C2Tx MXene样品的SEM图像显示出许多平均尺寸小于5 µm的多层颗粒，表明层状MXenes的制备成功。
700 °C腐蚀10 min制备的Ti3C2Tx Mxene的原子结构分析
高分辨率的TEM图像(图a)显示了几十纳米宽和几微米长的Ti3C2Tx MXene条带的存在。每个薄带包含许多Ti3C2Tx层(图b)。原子分辨HAADF-STEM结合晶格分辨能谱进一步获得了Ti3C2Tx MXene的局域结构和组成信息。对于每个Ti3C2Tx MXene层，在图c，d中的插图中清楚地观察到五个原子层。结合EDS映射结果(图e)，用红色箭头标记的中心较亮的原子表示Ti原子，而绿色箭头表示Ti3C2Tx MXene层表面存在的Cl原子。Cl原子位于Ti原子中心层的顶部。这一发现与密度泛函理论(DFT)计算结果一致。
研究了MXenes在1M LiPF6/碳酸乙烯-碳酸二甲酯电解液中储存锂离子的电化学性质。图a显示了以0.5 mV s−1的扫描速率记录的Ti3C2Tx和Ti2CTx电极的循环伏安(CV)曲线。在0.1-2 V的电位范围内，无明显氧化还原峰的矩形和高度对称的循环伏安曲线表明锂离子的储存机制是假电容的，这与之前报道的熔盐衍生的MXenes保持一致。图c显示了来自恒流测试的Ti2CTx电极的电压分布。对Ti2CTx电极进行了电化学阻抗谱测量，测量结果如图d所示。在所有奈奎斯特曲线上都观察到低频阻抗虚部的快速增加。
MXenes来自空气中的元素前体。由于不需要惰性气体保护，大大简化了合成操作，与传统的合成方法相比，一锅法缩短了整个合成时间。Ti3C2Tx和T2CTx MXenes是在700 °C快速腐蚀10分钟，整个合成时间不到8 h的条件下制备的。锂离子储存研究表明，一锅法合成的Mxenes和之前报道的Lewis熔融酸蚀得到的Mxenes具有相似的电化学特征。结果表明，一锅法合成的Mxenes和T2CTx Mxenes的电化学特征与之前报道的Lewis熔融酸蚀刻法得到的Mxenes的电化学特征相似。作者相信，一锅合成法为以较低的生产成本方便、快速地合成MXene材料铺平了道路，并揭示了MXene材料在储能领域的潜在应用前景。
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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