Nature Communications：用空氣中的快速一鍋法合成二維碳化鈦的鋰離子儲存性能

第一作者：Guoliang Ma，Hui Shao

通訊作者：劉穎，Patrice Simon，林紫鋒

通訊單位：四川大學，圖盧茲大學

背景

由MAX相前驅體衍生的MXenes在很多領域引起了科研人員極大的興趣，包括電化學儲能、電磁干擾屏蔽、超導體以及其他等等。自從20118首次報道合成Ti₃C₂T_x以來，MXenes通常是通過選擇性刻蝕MAX相前驅體來制備的。然而，這些方法很難升級和/或需要幾小時到幾天才能獲得MXenes，這極大地降低了生產效率并增加了生產成本。此外，大多數合成方法僅限于使用含Al的MAX相前驅體，而許多含有Si、Zn、Ga、Ge和S元素的MAX相仍然難以刻蝕。

研究的問題

本文報道了一種利用元素前驅體，通過形成鈦鋁碳化物，然后在一個熔鹽鍋中進行原位腐蝕來合成MXene的方法。熔鹽作為反應介質，在高溫合成過程中阻止了反應物的氧化，因此可以在空氣環境中合成MXenes，而不需要使用惰性氣體保護。使用這種一鍋法合成了Cl-端基的Ti₃C₂T_x和Ti₂CT_x?MXenes，在700°C下的原位刻蝕步驟只需要大約10分鐘。此外，當用作半電池結構的非水鋰離子存儲活性材料時，得到的Ti₂CT_xMxene在0.1A g^?1和2 A g^?1的比電流下分別表現出約280mAh g^?1和160mAh g^?1的鋰電容值。

圖1|空氣氣氛下一鍋法合成二維碳化鈦的步驟。以Ti、Al、C為原料，在露天條件下一鍋合成Ti₃C₂T_x?MXene的原理圖。RT代表室溫。樣品球團中Ti：Al：C：NaCl：KCl的摩爾比為3：1.2：1.9：3：3，鹽床由氯化鈉和氯化鉀的摩爾比為1：1組成，合成時間為460min。

圖2 Ti₃C₂T_x的結構表征.

圖a：一維和二維同步輻射X射線衍射(λ=0.072916 nm)圖譜和Rietveld精細化方法研究了Ti₃C₂T_x在700℃刻蝕10min后的形貌和形貌特征。2D圖案中的紅色箭頭指向樣品支撐結構的衍射峰。

圖b：Ti₃C₂T_x的掃描電鏡圖像，刻度條為2μm。

圖c：Ti₃C₂T_x的掃描電鏡圖像，刻度條為0.2μm。?

圖3|?700°C腐蝕10分鐘制備的Ti₃C₂T_x?MXene的原子結構分析。

圖a：高分辨率透射電子顯微鏡以100 nm的尺度成像，其中插圖顯示所選區域的快速傅立葉變換(FFT)圖案，標尺為1/10 nm。

圖b：高分辨率透射電子顯微鏡以10 nm的尺度成像。

圖c和d：原子分辨率高角度環形暗場(HAADF)圖像以及c[1120]和d[1100]投影和相應的晶體結構；插圖是原子位置的放大視圖。

圖e：沿[1100]的原子尺度EDS投影圖。

圖4|?Ti₃C₂T_x和T₂CT_x基電極的電化學儲能性能。

圖a：Ti₃C₂T_x和T₂CT_x Mxene在0.5 mV s^-1的循環伏安曲線。

圖b：不同掃描速率下Ti₃C₂T_x和T₂CT_x?Mxenes的比容比較。

圖c：不同比電流下T₂CT_x?Mxenes電極的電壓分布

圖d：Ti₂CT_x?Mxene電極在不同電位下的電化學阻抗。

結語

綜上所述，本文提出了一種在空氣氣氛中由元素前驅體一鍋合成MXenes的簡便方法。由于不需要惰性氣體保護，大大簡化了合成操作，與傳統的分別制備MAX相前驅體和MXenes的MXene合成方法相比，一鍋法縮短了整個合成時間。Ti₃C₂T_x和T₂CT_x?Mxenes是在700°C快速腐蝕10分鐘，整個合成時間不到8h的條件下制備的。鋰離子儲存研究表明，一鍋法合成的Mxenes和之前報道的Lewis熔融酸蝕得到的Mxenes具有相似的電化學特征。得到的Ti₂CT_x?Mxene在0.1A g^?1和2A g^?1的比電流下分別具有約280mAh g^?1和160mAh g^?1的鋰電容值。本文相信，一鍋合成法為以較低的生產成本方便、快速地合成MXene材料鋪平了道路，并揭示了MXene材料在儲能領域的潛在應用前景。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25306-y

本文由SSC供稿。