Ultrason. Sonochem.｜超声辅助合成助力MXene储能性能提升

北科纳米可提供Ti₃C₂T_x MXene（可定制）

研究摘要

Ti₃C₂T_x MXene通常通过对其相应的过渡金属碳化物MAX相中的主族元素进行刻蚀而得到，得益于独特的物理化学性质，在储能应用中表现出优异的电化学性能。然而，主族元素的去除（也就是所谓的化学刻蚀）的低效率，严重地限制了MXene及MXene相关材料的应用前景。鉴于此，沈阳理工大学张武教授研究团队在《Ultrasonic Sonochemistry》上发表最新研究成果，报道了一种超声辅助的方法以Ti₃AlC₂为前驱体合成Ti₃C₂T_x MXene。实验数据表明，在超声条件下，Ti₃AlC₂的化学刻蚀效率得到了极大地提升，在稀盐酸溶液中的刻蚀时间从一般的24小时缩短到8小时。特别地，在超声辅助下，在2%的氢氟酸溶液中，能够实现较高的刻蚀效率，而2%的浓度要低于目前已报道的刻蚀环境。8小时超声得到的样品的比容量可以达到155 F/g，远大于在相同条件下非超声辅助所制备的样品的电容值。此外，在超声辅助的样品在20000次充放电循环后，电容保持率可以达到97.5%，与前期报道相比，表现出杰出的能量存储稳定性。同时，这种超声辅助的过程可以更高效地去除刻蚀剂表面生成的AlF3杂质，超声处理过程中所产生的声空化效应可以破坏两个相邻层官能团之间的氢键。

图文导读

图1. Ti₃AlC₂的超声刻蚀过程不同阶段的XRD图谱。

图2. Ti₃C₂T_x MXene在不同超声辅助条件下的SEM图像与元素mapping。

图3. 刻蚀后Al的含量与超声辅助刻蚀时间的关系。

图4. 不同超声辅助刻蚀时间的XPS全谱与高分辨光谱。

图5. 不同超声辅助刻蚀时间所制备的样品在不同扫描速率下的CV循环伏安曲线。

图6. 不同超声辅助刻蚀时间所制备的样品的恒流充放电曲线与EIS阻抗曲线。

图7. 8小时超声辅助制备样品在5 A/g的电流密度下的循环稳定性。

图8. 8小时超声辅助刻蚀制备的样品的电容保持率与前期文献报道的样品对比。

图9. 超声辅助刻蚀制备MXene的技术路线图。

总结

总结

本工作提出的超声辅助法所制备的Ti₃C₂T_x在微观上表现出明显的手风琴结构。XRD结果表明，刻蚀后样品的（002）晶面向更低的衍射峰角度偏移，这主要源于层间空间的扩张，在超声条件下，这种峰位的移动更加明显。超声刻蚀后，在得到的样品中仅有1.63 wt%的Al残留，而非超声条件下Al残留的比例则高达7.88 wt%，说明这种超声辅助的方法可以高效地去除前驱体MAX相中的主族元素。与此同时，在相同实验条件下，超声辅助的方法所制备的样品电容值要比非超声条件下制备得到的样品的电容值高45倍。

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2022.106024

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