SMT：紫外光刻蚀-绿色环保的MXene刻蚀方法

【研究背景】

近些年来，二维过渡金属碳化物和碳氮化物（MXenes）引起了广泛关注，尤其是在能量转化与储存领域，包括可充电电池和超级电容器， 主要得益于其超高的导电性以及卓越的对不同的阳离子的储存能力（如Li⁺和Na⁺）。一般来说，MXene的合成主要是通过将相应MAX相中的弱结合的金属原子层（A原子层，其中大部分为第三和第四主族元素），进行选择性刻蚀而得到。截至目前，大部分的MXenes都由含Al的MAX相刻蚀而得到。刻蚀过程中通常需要用到剧毒的酸性溶液，如通常使用的氢氟酸，这可能会引起严重的安全与环境问题。

2015年首次报道的三元纳米层状碳化物Mo₂Ga₂C，具有六边形的结构，与其他MAX相具有相同的化学与物理性质。在Mo₂Ga₂C的晶体结构中，Mo和C原子位于4f和2a位点。CMo₆ 共边八面体被两层Ga原子分隔开，并与Ga原子以立方排列的形式弱结合。受MAX相刻蚀启发，2D Mo₂C MXene可以通过选择性刻蚀Mo₂Ga₂C中的Ga原子而制备。先前报道的Mo₂C合成方法，将Mo₂Ga₂C薄膜溶解于氢氟酸中，进而得到含F官能团的Mo₂C MXene；另外一种制备方法是使用LiF和HCl的混合溶液对Mo₂Ga₂C进行选择性刻蚀。尽管事实上含氟量大大降低，但是还是不可避免地在最终得到的Mo₂CMXene中引入了氟。通过密度泛函理论预测，表面功能化的氟会阻碍锂离子的传输进而减弱其储锂能力。此外，Mo₂Ga₂C已经被报道是一种很有前景的紫外光吸收材料，如何利用这一特性是新型刻蚀方法探索的关键。

【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Sustainable Materials and Technologies上发表题目为： Two-dimensional fluorine-free mesoporous Mo₂C MXene via UV-induced selective etching of Mo₂Ga₂C for energy storage 的研究论文。研究者们提出了一种新颖的更温和的MXene刻蚀方法，借助紫外线（UV）辐射，将紫外线敏感的前驱体刻蚀的方法制备MXene。通过这种方法，Mo₂CMXene 可以通过紫外线辐射刻蚀紫外敏感的Mo₂Ga₂C MAX相而成功得到。这种方法避免了对高腐蚀性的HF的使用以及MXene产物中氟基官能团的引入，还可以实现高质量MXene的大批量制备。更有趣的是，得到的MXene还具有介孔的结构，这对于电化学应用是迫切需要的。此外，使用这种新型方法可以在几小时内成功的合成MXene材料，极大地缩短了HF酸刻蚀方法所用的时间。

【图文导读】

图1. Mo₂C MXene的形貌表征。

图2. Mo₂C MXene在超声辅助分层后的TEM图像，HR-TEM图像以及明场TEM图像以及相应的元素mapping分布。

图3. Mo₂Ga₂C和Mo₂C MXene的物理结构表征。

图4. Mo₂C MXene应用于锂电和钠电的电化学性能测试。

图5.Mo₂C MXene基柔性锂电，钠电的电化学性能测试。

【本文总结】

总的来说，我们提出的新型紫外光辅助选择性刻蚀方法，可以将Mo₂Ga₂C前驱体中的Ga原子刻蚀，进而得到无氟的Mo₂C MXene，并且避免了对毒性高腐蚀性酸的使用。得到的MXene展现出了独特的2D石墨烯状的结构以及较高的纯度。当其作为可充电电池的负极材料时，展现出了杰出的倍率性能与循环稳定性，储锂容量可以稳定在在150 mAh g^-1左右，而储钠则可以稳定在50 mAh g^-1左右。此外，柔性的Mo₂CMXene基电池具有杰出的容量保留率（89%和74%）。因此， 这种MXene展示出了在离子存储应用中的巨大潜力，以及这种绿色的合成方法可以扩展其他MXene的合成思路，极具参考意义。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00156

信息来源： MXene Frontier

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