中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授团队联合上海光源开发了原位同步辐射X射线衍射（SRXRD）技术，揭示了MAX材料在熔盐环境下的相演变过程，并提出了通过精确温度和时间调节实现最佳刻蚀的可控合成方法。相关成果以“Operando Exploring and Modulating Phase Evolution Chemistry from MAX to MXenes in Molten Salt Synthesis”为题，于5月2日发表于国际著名学术期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
二维过渡金属碳化物或氮化物（MXenes）由于其独特的层状结构、表面化学和成分多样性，在能量存储和其他领域中展现出了巨大的应用潜力。通常情况下，MXenes是通过选择性刻蚀MAX相中的A层而产生的，呈现出碳化物/氮化物层的六角晶体结构。最近，熔盐法已发展成为一种普遍策略，可有效地去除MAX相中的A层，从而产生具有表面化学可调的手风琴状MXenes。然而，由于熔盐蚀刻反应过程不明确，大多数实验参数通常是经验性设定的。尽管该领域的研究人员致力于研究真实过程，以实现该熔盐蚀刻方法的高效性和可控性，但由于苛刻的熔盐反应条件、涉及反应中阴离子和阳离子的复杂相演化以及缺乏原位技术来探测这种反应过程，目前仍未取得重大研究突破。
中国科学技术大学宋礼教授团队联合上海同步辐射光源的X射线衍射站，开发了具有在线测试能力的原位同步辐射X射线衍射方法，用于动态研究Lewis酸熔盐蚀刻MAX材料的过程。以Nb2GaC为例，揭示了Lewis酸熔盐蚀刻过程中的关键步骤，包括从Nb2GaC到Nb2CuC的超快速相变、Nb2CTx和Nb2CuC的共存期、Cu原子的快速提取形成Nb2CTx MXenes、Cl嫁接引起的层间膨胀以及过度蚀刻过程。这些关键步骤的发现为优化蚀刻条件提供了参考，实现新的MAX相和高质量MXenes的可控合成。此外，通过调节熔盐法后处理过程中的反应时间，揭示了Nb2CTx从六角晶体到无定形相的相演化过程。提出了具有良好形貌和优异导电性的无定形p-Nb2CTx作为Li+存储的电极材料，表现出高倍率性能、优异的比容量和长循环能力。通过开发原位高温同步辐射X射线衍射技术，为熔盐刻蚀方法中的相演变研究提供了新的机会，这对于发展先进的MAX和MXenes材料具有重要意义。
图1. 用于在线监测Lewis酸性熔盐蚀刻过程的原位同步辐射X射线衍射方法，和刻蚀过程中的关键反应步骤
中国科学技术大学国家同步辐射实验室博士生魏世强和张鹏军为论文共同第一作者，王昌达副研究员和宋礼教授为该论文的共同通讯作者。本工作得到了国家基金委杰出青年基金、国家基金委大科学装置联合重点、科技部重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、中国科学院国际伙伴计划、合肥综合性国家科学中心能源研究院等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.3c01083
