Chem. Mater.｜起底MXenes的刻蚀条件与本征空位缺陷

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研究摘要

近年来，二维MXenes由于简易的合成方法与杰出的性能在很多不同应用中都引起了持续的研究关注。在MXenes的湿法刻蚀过程中，会产生本征缺陷，比如金属与碳或氮的空位，然而缺陷形成过程的理解还不够深入。鉴于此，芬兰奥卢大学Hannu-Pekka Komsa教授研究团队在《Chem. Mater.》发表最新研究成果，应用第一性原理计算研究在刻蚀条件下，Ti₃C₂与Ti₂N MXenes中Ti、C与N空位的形成能，同时，详细探究表面的复合多功能化与溶液中的化学环境（pH与电极电势）。研究发现，金属空位的形成能根据表面功能化的不同而有巨大的差异，不同的局部与整体环境也会对形成能产生一定的影响。研究者们将这些差异归因于空位与周围官能团之间的静电相互作用，并于此Ti空位在五官能团或羟基（-OH）官能团化表面上普遍存在，而在氧基（-O）官能团化的表面则普遍存在这C和N空位。此外，研究结果表明，刻蚀溶液的pH值与电极电势对于空位的形成具有决定性作用，尤其是，通过在实验中设置相应的条件可以很容易使MXene发生氧化，说明Ti空位的形成是触发氧化过程的关键。

图文导读

图1. Ti、C与N在溶液与相应化学势下的普尔贝图。

图2. Ti的稳定性与在不同pH、电极电势下的化学势差异。

图3. Ti3C2表面的不同局部空位环境与形成能。

图4. Ti₃C₂中不同情况下Ti空位的形成能。虚线代表水稳定的区间。

图5. Ti₂N中不同情况下Ti空位的形成能。虚线代表水稳定的区间。

图6. Ti₃C₂与Ti₂N中C与N空位的形成能。虚线代表水稳定的区间。

总结

本文系统研究了Ti₃C₂与Ti₂N MXenes的Ti、C与N空位的形成，并探究了官能团组成及其局部环境对空位形成能的影响。研究表明，MXene表面官能团的种类与成分对形成能有重要作用。高-OH含量的MXene表面会形成大量的Ti空位，而-O含量的提升则可以更好地保护MXene表面。这种情况主要归因于金属空位与官能团之间的强烈的静电相互作用，很大程度上取决于O的含量与分布。值得一提的是，无论在何种条件下，Ti₂N中的Ti空位形成能都为负，这也许是无法通过HF成功刻蚀的原因。该工作有助于指导未来的实验研究，以避免过度的缺陷形成，甚至能够预估所需缺陷的浓度。这种方法也可以应用于其他的MXenes以及其他的缺陷研究。

文献链接

https://pubs.acs.org/10.1021/acs.chemmater.1c03179

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