Nature Communications：用空气中的快速一锅法合成二维碳化钛的锂离子储存性能

第一作者：Guoliang Ma，Hui Shao

通讯作者：刘颖，Patrice Simon，林紫锋

通讯单位：四川大学，图卢兹大学

背景

由MAX相前驱体衍生的MXenes在很多领域引起了科研人员极大的兴趣，包括电化学储能、电磁干扰屏蔽、超导体以及其他等等。自从20118首次报道合成Ti₃C₂T_x以来，MXenes通常是通过选择性刻蚀MAX相前驱体来制备的。然而，这些方法很难升级和/或需要几小时到几天才能获得MXenes，这极大地降低了生产效率并增加了生产成本。此外，大多数合成方法仅限于使用含Al的MAX相前驱体，而许多含有Si、Zn、Ga、Ge和S元素的MAX相仍然难以刻蚀。

研究的问题

本文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。使用这种一锅法合成了Cl-端基的Ti₃C₂T_x和Ti₂CT_xMXenes，在700°C下的原位刻蚀步骤只需要大约10分钟。此外，当用作半电池结构的非水锂离子存储活性材料时，得到的Ti₂CT_xMxene在0.1A g⁻¹和2 A g⁻¹的比电流下分别表现出约280mAh g⁻¹和160mAh g⁻¹的锂电容值。

图1|空气气氛下一锅法合成二维碳化钛的步骤。以Ti、Al、C为原料，在露天条件下一锅合成Ti₃C₂T_xMXene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，盐床由氯化钠和氯化钾的摩尔比为1：1组成，合成时间为460min。

图2 Ti₃C₂T_x的结构表征.

图a：一维和二维同步辐射X射线衍射(λ=0.072916 nm)图谱和Rietveld精细化方法研究了Ti₃C₂T_x在700℃刻蚀10min后的形貌和形貌特征。2D图案中的红色箭头指向样品支撑结构的衍射峰。

图b：Ti₃C₂T_x的扫描电镜图像，刻度条为2µm。

图c：Ti₃C₂T_x的扫描电镜图像，刻度条为0.2µm。

图3| 700°C腐蚀10分钟制备的Ti₃C₂T_xMXene的原子结构分析。

图a：高分辨率透射电子显微镜以100 nm的尺度成像，其中插图显示所选区域的快速傅立叶变换(FFT)图案，标尺为1/10 nm。

图b：高分辨率透射电子显微镜以10 nm的尺度成像。

图c和d：原子分辨率高角度环形暗场(HAADF)图像以及c[1120]和d[1100]投影和相应的晶体结构；插图是原子位置的放大视图。

图e：沿[1100]的原子尺度EDS投影图。

图4| Ti₃C₂T_x和T₂CT_x基电极的电化学储能性能。

图a：Ti₃C₂T_x和T₂CT_xMxene在0.5 mV s^-1的循环伏安曲线。

图b：不同扫描速率下Ti₃C₂T_x和T₂CT_xMxenes的比容比较。

图c：不同比电流下T₂CT_xMxenes电极的电压分布

图d：Ti₂CT_xMxene电极在不同电位下的电化学阻抗。

结语

综上所述，本文提出了一种在空气气氛中由元素前驱体一锅合成MXenes的简便方法。由于不需要惰性气体保护，大大简化了合成操作，与传统的分别制备MAX相前驱体和MXenes的MXene合成方法相比，一锅法缩短了整个合成时间。Ti₃C₂T_x和T₂CT_xMxenes是在700°C快速腐蚀10分钟，整个合成时间不到8h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。得到的Ti₂CT_xMxene在0.1A g⁻¹和2A g⁻¹的比电流下分别具有约280mAh g⁻¹和160mAh g⁻¹的锂电容值。本文相信，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。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25306-y

本文由SSC供稿。