外场环境下电化学材料合成取得重要进展

发布时间:2021-06-04

二维过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)以其独特的层状结构、表面基团和丰富的种类在电化学储能领域受到了广泛的关注。当前通常使用氢氟酸和氟盐/盐酸的混合溶液来刻蚀MAX前驱体合成MXenes,但是不可避免地在其表面上引入了大量的-F官能团,且可刻蚀的材料种类有限。因此,亟需开发高效的无氟MXenes合成新方法。近期,中国科学技术大学国家同步辐射实验室的宋礼教授课题组与化学与材料学院、美国莱斯大学等合作,从理论计算出发,预测了不同压力和温度环境下HCl刻蚀MAX的反应规律,提出了一种温和、可控的水热刻蚀策略,并获得了高质量无氟Mo2CTx MXenes材料。相关结果发表在国际著名期刊Advanced Materials上,论文第一作者为国家同步辐射实验室博士后王昌达和化材学院硕士研究生寿宏伟。(全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202101015)

图. 温度和压力环境下HCl蚀刻MAX材料的规律

基于OH-/Cl-和“A”元素之间强结合能,辅以适当的外部环境场的激发,研究人员采用密度泛函理论(DFT)模拟了单一盐酸溶液刻蚀MAX材料的规律。选取A层含有Al和Ga的MAX体系为具体研究对象,DFT计算结果表明温度和压力对可溶性AlCl3(GaCl3)在HCl中的形成具有决定性作用。结合理论计算,研究人员提出了一种受温度和压强调控的HCl -水热刻蚀策略,实现了Mo2Ga2C等MAX材料的高效刻蚀。利用同步辐射X射线吸收谱对获得的MXenes进行表征,发现Mo在Mo2Ga2C和Mo2CTx中的平均化合价分别为+0.11和+3.85。此外,由于Ga的剥离和表面基团的引入,Mo-C/Tx的配位数从3增加到4.81,证实了Mo2Ga2C的成功刻蚀。与含氟MXenes相比,HCl刻蚀得到的Mo2CTx仅含Cl和O官能团,表现出截然不同的电容储能行为。这些研究结果不仅提供了一种合成无氟MXenes的普适性方法,也为MAX刻蚀动力学的深入理解提供了有用的借签。

该论文得到了科技部重点研发计划(2017YFA0303500, 2020YFA0405800)、国家自然科学基金(U1932201, 21727801)、中国科学院国际伙伴计划(211134KYSB20190063)和合肥大科学中心协同创新等(2019HSC-CIP002)等项目的支持,并得到了合肥光源、北京光源和上海光源相关线站的支持。

 

论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202101015