CEJ: 热还原含硫MAX相

【研究背景】

二维过渡金属碳化物，碳氮化物以及氮化物（MXenes）是正在兴起的2D纳米材料家族主要的一类材料，在一些能源相关的应用领域中，如可充电电池与超级电容器得到了持续的关注。这主要归因于其杰出的导电性以及具有在相邻层之间容纳各种离子的能力。截止到目前，一些有害的刻蚀剂，如含氟的酸溶液，已经被广泛地应用于MXene的合成。这种方法可能会造成严重的安全隐患，难以预料的环境污染问题以及大规模工业生产的可靠性不足等问题。与此同时，选择性刻蚀方法对于酸的浓度与刻蚀时间具有很严格的要求，因此，很难实现均匀的MXene样品。此外，含氟酸的使用会使MXenes的活性边缘或表面形成钝化层。先前的密度泛函理论预测，表面含氟官能团会影响锂离子的传输进而降低电化学储锂容量。

【成果简介】

最近，澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授与西南交通大学胡春峰教授在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表题目为： Thermal reduction of sulfur-containing MAX phase for MXene production 的研究论文。论文报道了一种创新性的热还原策略合成由相应含硫MAX作为前驱体得到的MXene，其中较弱键合的S原子与氢反应形成挥发性气体，进而得到2D石墨烯装的Ti₂C纳米片。

【图文导读】

图1. 通过高效热还原方法得到的2D Ti₂C MXene示意图。

图2. 不同温度条件处理下的2D Ti₂SCMAX的XRD图像，温度范围为600~900℃；丙酮处理的剥离后的MXene膜。

图3. 2D Ti₂SC MAX相在不同温度条件下的相关物理表征。

图4. 2D Ti₂SC MAX的SEM图像，2D Ti₂C MXene的元素mapping以及TEM图像。

图5. 2D Ti₂SC MAX和2D Ti₂C MXene的XPS图谱以及孔径分布。

图6. 2D Ti₂C MXene储锂的电化学性能测试。

图7. 2D Ti₂C MXene在循环前后的扭亏斯特图以及循环后的TEM和HRTEM图像。

【本文总结】

本文提出了一种创新型的热还原含硫MAX相策略合成MXene的策略。研究发现，最佳的还原温度为800℃，得到的MXene展示出了独特的2D片状结构。作为锂离子电池的负极材料时，所制备的MXene具有~200 mAh g^-1的初始放电容量。甚至在较高电流密度下（2,000 mA g^-1）, 容量可以保持在循环130次后保持在相对稳定的水平~70 mAh g^-1，具有较好的倍率性能与循环稳定性。该工作为大规模MXene的制备开启了一扇新的大门，促进了MXene基材料在可充电电池领域的应用。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125111

信息来源： MXene Frontier