新型二維納米材料MXene的制備及在儲能領域的應用進展
發(fā)布時間：2021-07-18 20:17
二維過渡金屬碳（氮）化物（MXene）作為一類新型二維納米材料,自2011年發(fā)現(xiàn)以來,由于其優(yōu)異的物理化學性能得到了廣泛研究。MXene除具有傳統(tǒng)二維材料的優(yōu)異性能外,其高的導電性、良好的潤滑性及電磁性等特殊性能,已被廣泛地應用于能量存儲、催化、潤滑、電磁屏蔽、傳感器、水凈化等領域,并取得了一定的效果和進展。本文綜述了近年來國內外關于MXene材料的最新研究現(xiàn)狀,歸納總結了MXene的結構、性能和制備方法,以及在鋰離子電池、超級電容器等領域的相關成果,指出了目前研究存在的短板,并展望了未來的研究方向。
【文章來源】：材料工程. 2020,48(04)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：14 頁
【部分圖文】：
Ti3C2的電化學性能[50]
MXene一般是通過選擇性蝕刻掉MAX相中的A原子來制備。MAX相是由一族70多種層狀的三元金屬碳化物、氮化物和碳氮化物組成,通用的分子式為Mn+1AXn(n=1,2,3),M代表過渡金屬(M=Ti,Sr,V,Cr,Ta,Nb,Zr,Mo,Hf),A代表Ⅲ或者Ⅳ主族元素(主要有Al, Ga, In, Ti, Si, Ge, Sn, Pb),而X代表碳(C)或氮(N)元素[6]。在MAX相中,M原子層和X原子層交錯排布,以共價鍵或離子鍵鍵合,A原子層又穿插在M—X構成的層與層之間,因此,由于原子之間的強作用力,使得外部機械力很難使MAX相分層。鑒于此,2011年美國德雷賽爾大學的Gogotsi和Barsoum教授課題組通過巧妙的化學腐蝕法(氫氟酸或者LiF和HCl的混合溶液為腐蝕劑)把Ti3AlC2,Ti2AlC,Ta4AlC3,(Ti0.5Nb0.5)2AlC和Ti3AlCN等MAX陶瓷相材料(Mn+1AXn)中的Al元素溶解,而獲得了表面含有豐富的活性基團(例如,F, O和OH基團)的Ti3C2,Ti2C,Ta4C3,(Ti0.5Nb0.5)2C,Ti3CN和Mo2C等二維納米材料[4](通用式為Mn+1XnTx,其中X為C或者N原子,T為表面活性封端基團),由于與石墨烯結構相似,因此,被形象地命名為MXene(如圖1所示)。截至目前,已有超過30種不同的MXene被合成出來[7],同時,經(jīng)計算,還有數(shù)十種不同的MXene能夠穩(wěn)定存在,如Zr2C,Ti3N2,V4C3等。而對于三元氮化物MXene,由于M—A鍵要比三元碳化物中的M—A鍵更加穩(wěn)定,因此,目前已經(jīng)合成出來的氮化物MXene只有Ti2N 和Ti4N3[8-9]。而對于MXene中的M部分,除了含有一種元素外,研究發(fā)現(xiàn),可以同時含有兩種不同元素,其主要包括固溶體形式和有序相形式,例如(TiV)2C和(CrV)3C2固溶體,以及(Cr2V)C2和(V2Ti2)C3有序相結構的MXene材料。由于二維MXene材料在能源、環(huán)境、醫(yī)療、國防(如電磁屏蔽等)等領域展現(xiàn)出了巨大應用前景,因此,如果能夠對其結構、性能、制備方法和相關領域中的應用,以及近期的發(fā)展進行一個系統(tǒng)的總結和展望,將會有助于相關學者和學生對MXene材料的深入理解,從而為有效推動相關領域的基礎研究和產(chǎn)業(yè)化的進一步發(fā)展提供參考。該綜述將從MXene的晶體結構、性能、制備方法和在能源存儲等領域的研究進行總結,并對現(xiàn)階段主要存在的問題和未來的研究方向進行了簡要的論述。
與MAX相(Mn+1AXn)一樣,MXene具有六方晶體結構,其中M原子屬于六方緊密堆積,而X原子則填充在八面體間隙,其通式Mn+1Xn與MAX相保持一致。由于無表面基團的MXene具有極高的化學活性,因此,在溶液刻蝕法制備MXene的過程中很容易與溶液發(fā)生反應,形成具有功能鍵的MXene(Mn+1XnTx,其中,Tx主要代表—F,—OH,—O官能團)[4,10]。Tang等[11]對Ti3C2和Ti3C2X2(X=F,OH)的微觀結構進行了模型構建,如圖2所示。研究表明,對于無功能基團的Ti3C2,其原子結構主要是按照Ti(1)-C-Ti(2)-C-Ti(1)的順序呈層狀排布,而具有功能基團的Ti3C2X2(X=F,OH),由于功能基團X的分布,其原子的結構分布主要分為3種類型:(1)X功能基團分布于Ti3C2片層的兩邊,X基團在Ti(2)原子正上方,同時緊鄰3個C原子;(2)在Ti3C2的兩邊,X功能基團在C原子正上方;(3)這一類可以視為前兩種的結合,一邊的X基團正對Ti(2)原子,另一邊X基團正對C原子。此外,X基團(包括O等)在Ti3C2的兩邊是隨機分布的,并沒有特定的順序,且基團之間沒有相關性[12-14]。Hope等[14]通過1H—19F異質相關譜(HETCOR譜)發(fā)現(xiàn),Ti3C2片層之間并不是只存在單一的表面基團,而是同時存在—OH和—F基團。他們還認為,—F和—OH之間的聯(lián)系,證明了層間結構水的存在,并且這些結構水是很難移動的,同時, 2D 1H NMR譜表明Ti3C2片層之間不存在兩個相鄰的—OH,而且—OH的數(shù)目要遠少于—F和—O。Wang等[12]用環(huán)形暗場像(HAADF)直觀地觀測到了Ti3C2X的Ti原子排列(如圖3所示)。研究發(fā)現(xiàn), Ti3C2X層間的距離為0.98 nm,結果與XRD所測一致。但是,暗場像卻不能觀測到C,F,O等原子,于是他們又使用環(huán)形明場像(ABF),成功發(fā)現(xiàn)了這些原子的存在,以及與Ti原子的相對位置,這與前期的研究相一致[4,15-16]。
本文編號：3290290
【文章來源】：材料工程. 2020,48(04)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：14 頁
【部分圖文】：
Ti3C2的電化學性能[50]
MXene一般是通過選擇性蝕刻掉MAX相中的A原子來制備。MAX相是由一族70多種層狀的三元金屬碳化物、氮化物和碳氮化物組成,通用的分子式為Mn+1AXn(n=1,2,3),M代表過渡金屬(M=Ti,Sr,V,Cr,Ta,Nb,Zr,Mo,Hf),A代表Ⅲ或者Ⅳ主族元素(主要有Al, Ga, In, Ti, Si, Ge, Sn, Pb),而X代表碳(C)或氮(N)元素[6]。在MAX相中,M原子層和X原子層交錯排布,以共價鍵或離子鍵鍵合,A原子層又穿插在M—X構成的層與層之間,因此,由于原子之間的強作用力,使得外部機械力很難使MAX相分層。鑒于此,2011年美國德雷賽爾大學的Gogotsi和Barsoum教授課題組通過巧妙的化學腐蝕法(氫氟酸或者LiF和HCl的混合溶液為腐蝕劑)把Ti3AlC2,Ti2AlC,Ta4AlC3,(Ti0.5Nb0.5)2AlC和Ti3AlCN等MAX陶瓷相材料(Mn+1AXn)中的Al元素溶解,而獲得了表面含有豐富的活性基團(例如,F, O和OH基團)的Ti3C2,Ti2C,Ta4C3,(Ti0.5Nb0.5)2C,Ti3CN和Mo2C等二維納米材料[4](通用式為Mn+1XnTx,其中X為C或者N原子,T為表面活性封端基團),由于與石墨烯結構相似,因此,被形象地命名為MXene(如圖1所示)。截至目前,已有超過30種不同的MXene被合成出來[7],同時,經(jīng)計算,還有數(shù)十種不同的MXene能夠穩(wěn)定存在,如Zr2C,Ti3N2,V4C3等。而對于三元氮化物MXene,由于M—A鍵要比三元碳化物中的M—A鍵更加穩(wěn)定,因此,目前已經(jīng)合成出來的氮化物MXene只有Ti2N 和Ti4N3[8-9]。而對于MXene中的M部分,除了含有一種元素外,研究發(fā)現(xiàn),可以同時含有兩種不同元素,其主要包括固溶體形式和有序相形式,例如(TiV)2C和(CrV)3C2固溶體,以及(Cr2V)C2和(V2Ti2)C3有序相結構的MXene材料。由于二維MXene材料在能源、環(huán)境、醫(yī)療、國防(如電磁屏蔽等)等領域展現(xiàn)出了巨大應用前景,因此,如果能夠對其結構、性能、制備方法和相關領域中的應用,以及近期的發(fā)展進行一個系統(tǒng)的總結和展望,將會有助于相關學者和學生對MXene材料的深入理解,從而為有效推動相關領域的基礎研究和產(chǎn)業(yè)化的進一步發(fā)展提供參考。該綜述將從MXene的晶體結構、性能、制備方法和在能源存儲等領域的研究進行總結,并對現(xiàn)階段主要存在的問題和未來的研究方向進行了簡要的論述。
與MAX相(Mn+1AXn)一樣,MXene具有六方晶體結構,其中M原子屬于六方緊密堆積,而X原子則填充在八面體間隙,其通式Mn+1Xn與MAX相保持一致。由于無表面基團的MXene具有極高的化學活性,因此,在溶液刻蝕法制備MXene的過程中很容易與溶液發(fā)生反應,形成具有功能鍵的MXene(Mn+1XnTx,其中,Tx主要代表—F,—OH,—O官能團)[4,10]。Tang等[11]對Ti3C2和Ti3C2X2(X=F,OH)的微觀結構進行了模型構建,如圖2所示。研究表明,對于無功能基團的Ti3C2,其原子結構主要是按照Ti(1)-C-Ti(2)-C-Ti(1)的順序呈層狀排布,而具有功能基團的Ti3C2X2(X=F,OH),由于功能基團X的分布,其原子的結構分布主要分為3種類型:(1)X功能基團分布于Ti3C2片層的兩邊,X基團在Ti(2)原子正上方,同時緊鄰3個C原子;(2)在Ti3C2的兩邊,X功能基團在C原子正上方;(3)這一類可以視為前兩種的結合,一邊的X基團正對Ti(2)原子,另一邊X基團正對C原子。此外,X基團(包括O等)在Ti3C2的兩邊是隨機分布的,并沒有特定的順序,且基團之間沒有相關性[12-14]。Hope等[14]通過1H—19F異質相關譜(HETCOR譜)發(fā)現(xiàn),Ti3C2片層之間并不是只存在單一的表面基團,而是同時存在—OH和—F基團。他們還認為,—F和—OH之間的聯(lián)系,證明了層間結構水的存在,并且這些結構水是很難移動的,同時, 2D 1H NMR譜表明Ti3C2片層之間不存在兩個相鄰的—OH,而且—OH的數(shù)目要遠少于—F和—O。Wang等[12]用環(huán)形暗場像(HAADF)直觀地觀測到了Ti3C2X的Ti原子排列(如圖3所示)。研究發(fā)現(xiàn), Ti3C2X層間的距離為0.98 nm,結果與XRD所測一致。但是,暗場像卻不能觀測到C,F,O等原子,于是他們又使用環(huán)形明場像(ABF),成功發(fā)現(xiàn)了這些原子的存在,以及與Ti原子的相對位置,這與前期的研究相一致[4,15-16]。
本文編號：3290290
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