中科大最新《AM》:简单可控的HCl-水热蚀刻法制备无氟Mxenes! 2024-06-10 01:51:58 由于其超薄的层状结构和丰富的元素种类,MXenes正在成为能源生成和存储领域有前景的电极材料。通常,MXenes是通过使用危险的含氟试剂来蚀刻相应的MAX相,以去除“A”层而获得的。不幸的是,这会不可避免地导致在MXenes表面产生大量惰性氟化物官能团,从而显着降低其应用于超级电容器和电池上的性能。因此,需要开发新的无氟MXenes的有效合成方法,以进一步提升MXenes的应用潜力。为了解决以上问题,中国科学技术大学宋礼教授联合美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan教授提出了一种简单可控的HCl-水热蚀刻方法。该方法受OH-/Cl-和“A”元素的强结合能力的启发,制备得到了高质量无氟MXenes材料。由该工艺生产的Mo2C电极在超级电容器和钠离子电池中表现出很高的电化学性能。这一策略促进了无氟MXenes的开发,并为探索其在储能应用中的潜力打开了一个新窗口。相关论文成果以“HCl-Based Hydrothermal Etching Strategy toward Fluoride-Free MXenes”为题发表在Advanced Materials上。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101015 1、通过HCl进行水热蚀刻的密度泛函理论预测基于第一性原理计算,图1显示了在HCl中对具有Al和Ga中间层元素的各种MAX相材料进行蚀刻的可行性模拟分析。其基本原理是蚀刻产物ACl3(A=Al,Ga)中“A”的化学势应低于MAX中“A”的化学势。根据理论计算得知,在一定的温度和压力条件下,MAX相材料(TiVAlC、Nb2AlC、V2AlC、Mo2Ga2C等)可以在单一的HCl溶液中成功被蚀刻成相应的MXenes材料(TiVCTx、Nb2CTx、V2CTx、Mo2CTx等)。基于DFT结果的指示作用,作者提出了一种简单可控的盐酸辅助水热蚀刻策略,用于制备无氟MXenes材料。 图1:各种MAX相的HCl辅助水热蚀刻策略的可行性分析。a)受温度和压力影响的Al在AlCl3中的化学势图。b)受温度和压力影响的Ga在GaCl3中的化学势图。2、Mo2CTx材料的制备作者选择Mo2Ga2C作为典型的MAX相前驱体来制备无氟Mo2C MXenes。如图2a所示,首先通过两阶段真空烧结工艺合成高质量的Mo2Ga2C。然后,将Mo2Ga2C和浓HCl置于带有特氟龙衬里的高压釜中,水热反应蚀刻得到高纯度的Mo2CTx MXenes材料。图2b显示了MAX相前驱体Mo2Ga2C和蚀刻产物Mo2CTx的XRD图谱,可以看出前驱体完全蚀刻成为了Mo2CTx。Mo2Ga2C和Mo2CTx的XPS谱图对比如图2c所示,Ga元素信号在HCl蚀刻后显着降低。此外,谱图中出现的Cl 2s 和Cl 2p信号表明所制备的Mo2CTx MXenes表面上的Cl端基。Mo2CTx MXenes中Mo:Ga的原子比为22.08:0.44,表明几乎98%的Mo2Ga2C转化为MXenes,成功合成高纯度的无氟Mo2CTx MXenes。图2d的SEM显示,在HCl蚀刻后,Mo2CTx MXenes不像其他MXenes(Ti3C2Tx和V2CTx)材料显示出明显的手风琴结构,而是显示出更清晰的层状结构,中间层略微膨胀。根据元素映射结果(图2e)显示,Mo、C、Cl和O原子均匀分布在Mo2CTx MXenes上。HRTEM(图2f)显示Mo2CTx层间对比度降低,层间距从0.91nm扩大到1.02,这与XRD结果一致。 图2:通过HCl辅助水热蚀刻策略制备无氟Mo2CTx。a)无氟Mo2CTx的制备过程示意图。b)Mo2Ga2C和Mo2CTxMXenes的X射线衍射图。c)Mo2Ga2C和Mo2CTx MXenes的XPS谱图。d-f)分别为Mo2CTxMXenes的SEM、元素映射图像(Mo、Cl和C元素)和HRTEM。3、Mo2CTx材料的结构研究作者进一步通过高分辨率XPS谱图和X射线吸收精细结构(XAFS)谱图来研究所制备的Mo2CTxMXenes材料的电子结构。并通过图4中模拟的电子局域化函数(ELF)图揭示了蚀刻过程中化学键的性质。 图3:Mo2CTx MXenes的结构表征。a,b) Mo2CTx MXenes的Mo3d和C1s的高分辨率XPS谱图。c) Mo箔、MoO2粉末、Mo2Ga2C和Mo2CTx的Mo K-edge归一化XANES光谱。d) Mo2Ga2C和Mo2CTx中Mo原子的计算化学价。e) MoO2粉末、Mo2Ga2C和Mo2CTx的Mo K-edge FT-EXAFS图。f) Mo2Ga2C(上图)和Mo2CTx(下图)的小波变换图。 图4:MAX相Mo2Ga2C在HCl中蚀刻为Mo2CTx的过程分析。4、Mo2CTx材料的电化学应用作者研究了由Mo2CTx材料制备的薄膜电极用于超级电容器时的性能。通过HCl蚀刻制备的Mo2CTxMXenes(Mo2CTx和DMo2CTx)表现出比HF蚀刻产物(Mo2CTx-HF和DMo2CTx-HF)更好的倍率性能(图5a),这主要是因为F和Cl端基的区别。如图5b所示,通过HCl制备的Mo2CTx材料的表面电容行为始终占主要贡献,因而得到优异的倍率性能。作者进一步测试了Mo2CTx电极在钠离子电池中的电化学性能。在不同电流密度下的恒电流充放电曲线如图5c所示。结合图5d所示的倍率特性,Mo2CTx电极在0.2 A g-1下的放电容量为385.2 mA hg-1。并且在3 A g-1时,仍然保留了72.3 mAh g-1的容量。在最后1 A g-1循环下的可逆容量为96.6 mAh g-1,并表现出稳定的循环性能和高库伦效率。 图5:无氟Mo2CTx MXenes的应用。超级电容器性能:a)不同Mo2CTx薄膜在2到100 mV s-1的扫描速率下的倍率性能。b)不同MXenes薄膜电极的表面电容(黄色)和插层赝电容(绿色)的百分比。在SIBs中作为电极的电化学性能:c)在不同电流密度下循环的恒电流充放电曲线。d)倍率和循环性能。【结论】作者基于对MAX相材料(A=Al,Ga)的DFT计算,开发了MXenes的可控HCl-水热蚀刻策略。合成了高质量的无氟Mo2CTxMXenes,并在储能应用中展示了良好的性能。通过成功地将该策略扩展到不同的MAX材料,这项研究将为合成多样化的MAX和MXenes类似物以及其广泛应用带来巨大前景。(文:王凌志0zhi) 赞 (0) 相关推荐 Mxene材料在柔性储能及器件的应用 随着对可穿戴电子产品需求的不断增加,柔性储能装置得到了迅速发展.MXenes具有超高的体积比容量.金属导电性.优越的亲水性和丰富的表面化学性质,被认为是一种很有前途的柔性电极.纯MXene.MXene ... 34CrMo4特种不锈钢 34CrMo4 是特种不锈钢现代服务业的*综合运营商.34CrMo4是上海钢铁现代服务综合试验区的核心建设机构. 34CrMo4 目前与全国各地的众多供应商和终端客户保持着良好的合作关系. 34CrM ... 2019最新理工类大学排名:清华第1,中科大第2,华科大第3! 一直以来理工科专业是学生报考的热门专业,就业广泛,可选择的工作多,所以很多高考生在志愿填报时也会比较偏向于理工类的大学,那么综合实力强劲的理工大学有那些呢?校友会更新了2019年理工大学的排名,接下来 ... Nature最新高校排名,中科大独占鳌头,上海科技大学成黑马 <Nature>杂志是世界上既有实力也有名气,同时有着充足认可度的科学杂志之一.对于许多学者们来讲,能够在<Nature>当中发表论文,可以说是非常梦寐以求的,而且只要能够被& ... 北大数院校友最新成果登数学四大顶刊,偏微分方程突破,可用于W-GAN,现已回国任教中科大 梦晨 萧箫 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI 数学界神秘的偏微分方程领域,再次被突破了! 来自中科大的陈世炳教授等人,开发了一套全新的数学方法,直接打破了领域内专家20多年来的既有 ... 中科大教授直言:夏朝就是古埃及,国内外学者态度呈现一边倒 中华文明上下五千年经久不衰,这是每一个华夏儿女的骄傲.从炎黄部落开始,到21世纪的今天,每一个中国人都自豪地称自己为"炎黄子孙". 但是几千年前的人们,一方面思想落后,另一方面文化 ... 芜湖市政府与中科大、海螺集团签约 共建新材料与智能制造联合实验室 2021.5月7日,芜湖市人民政府与中国科学技术大学.安徽海螺集团签署合作协议,三方共建新材料与智能制造联合实验室.中科大校长.中国科学院院士包信和,副校长罗喜胜,校长助理傅尧:市委书记潘朝晖,市委副 ... 定了!接种海外疫苗能回国!中使馆最新发文:赴华旅客必须这样做 总算是实锤了!中领馆终于更新了接种海外疫苗领取健康码的步骤.也就是说,打了海外疫苗,也能回国了. 不过要提醒大家,有以下两个细节必须关注: 1.除了双检测外,还必须加上N蛋白检测报告. 2.回国入境限 ... 中科大博士带头搬砖!这家上市公司其实是最隐秘的AI高手 装卸搬运,最古老的出卖体力换取报酬的工种. 合肥的一个厂房里也是这样. 那天,是合肥最寻常不过的一个春雨午后,"工人"们正忙着搬运各式各样的箱子. 有食用油.牛奶方便面,还有各式酒 ... 平淡中相守,简单中拥有! 人情来往,很多事,说不清楚,很多话,来不及说,人生多少的无奈,辜负了一世的渲染,有人哭,有人笑,有人无奈,有人懂得. 一种生命的时间,总有人生的无奈,学会放下,学会理解,生命的开始,总有人生的无奈,生 ... 谢彦波:11岁入中科大,有望拿诺贝尔奖,如今怎样了 26年前最耀眼的神童:11岁入中科大,有望拿诺贝尔奖,如今怎样了 子丹资讯关注2021-05-05 10:56大图模式不可否认的是,有些孩子生下来智力水平就比较高,成绩总是名列前茅,十三四岁就能考上大 ...