【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維過渡金屬碳化物和氮化物(MXenes)因其獨特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在能源存儲、催化和傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。MXene可以通過氫氟酸刻蝕MAX陶瓷來制備，然而傳統(tǒng)的合成方法面臨諸多挑戰(zhàn)(如刻蝕選擇性有限、結(jié)構(gòu)控制精度不足、制備周期長，且需依賴強(qiáng)酸或強(qiáng)堿等苛刻環(huán)境，等)，這嚴(yán)重制約了MXene的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)。因此，高效、安全、環(huán)境友好的大規(guī)模可控合成是實現(xiàn)MXenes新材料潛能的關(guān)鍵所在。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊基于理論篩選，提出了一種鹵素離子介導(dǎo)的水熱合成新方法，通過鹵化銨(如氟化銨)水熱刻蝕策略高通量合成了多種MXene。同時，利用鹵化銨與有機(jī)小分子插層劑的協(xié)同作用，通過原位水熱途徑實現(xiàn)了多種MXene異質(zhì)結(jié)衍生物的高效可控制備。相關(guān)研究成果以“Halogen Ion-Mediated Hydrothermal Synthesis of Diverse MXenes with Tailored Heterostructures”為題，6月25日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》。
圖1：鹵化銨水熱刻蝕策略高通量合成MXenes示意圖
圖2：插層劑輔助的鹵化銨水熱策略高通量合成MXenes異質(zhì)結(jié)示意圖
研究團(tuán)隊首先通過理論計算，揭示了鹵素離子刻蝕機(jī)理及氟化銨分子在刻蝕反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)上的優(yōu)越性。基于模擬數(shù)據(jù)指導(dǎo)，首次提出了氟化銨水熱刻蝕新策略，并在220°C條件下 6小時完成了10克Mo?Ga?C前驅(qū)體的刻蝕，實現(xiàn)了單批次產(chǎn)量超過5克的碳化鉬MXene的可控制備。
此外，團(tuán)隊將該方法擴(kuò)展到多種MXene異質(zhì)結(jié)的合成，例如通過結(jié)合鹵素離子(如溴化銨)與有機(jī)小分子插層劑(如二甲基亞砜)，在200°C下36小時內(nèi)成功制備出碳化鉬@二硫化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)在鋰電池負(fù)極中卓越性能(0.1 A g?¹電流密度下初始放電比容量高達(dá)1558.6 mAh g?¹，300次循環(huán)后，其可逆比容量穩(wěn)定在465.5 mAh g?¹)。
研究團(tuán)隊運(yùn)用同步輻射多技術(shù)聯(lián)用方法對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。共振軟X射線散射證實了Mo?Ga?C前驅(qū)體的碳層間分布和納米尺度均勻性；X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜發(fā)現(xiàn)刻蝕后碳化鉬中鉬價態(tài)升高，碳化鉬@二硫化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有更高的配位數(shù)和更優(yōu)的結(jié)晶度；同步輻射原位X射線衍射分析證明碳化鉬@二硫化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)在鋰電池充放電過程中層狀結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定，驗證了鋰離子嵌入/脫嵌機(jī)制。這些技術(shù)協(xié)同解析了原子級結(jié)構(gòu)變化、動態(tài)過程響應(yīng)和批量生產(chǎn)一致性，為MXene材料設(shè)計與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
論文的第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生許翰宸，王昌達(dá)副研究員和宋禮教授為通訊作者。
上述研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項、中國科大基礎(chǔ)前沿團(tuán)隊等項目的資助。
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