mxene 学术专题
MXene表面最多几个氧？这篇AFM为你解答
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详细介绍
二维纳米材料表面具有非常高的活性，有利于电化学能量存储和催化的研究，比如超级电容器和析氢反应等。MXene作为一个二维纳米材料的大家族，种类繁多，通过调节其结构、组成和表面官能团等可以获得具有不同性能的二维纳米材料。MXene用通式Mn+1XnTx表示，是通过选择性刻蚀Mn+1AXn(n = 1−3)中的A层得到的，其中M代表几种过渡金属，A代表13或14族的元素，X代表碳或者氮，T代表表面官能团，一般为O、OH和F。由于这些官能团主要来源于刻蚀剂，很难控制他们的组成，所以现有的通过调节MXene表面官能团的研究并没有得到太大的关注。但是，现有的理论预测含氧基团有利于提高材料的能量存储和催化性能。所以采取措施使得MXene表面官能团全部是氧基团是很有意义的，MXene的氧化行为和降解机制是需要探索的基本问题。瑞典林雪平大学的Per O. Å. Persson教授等近日报道了一种使MXene表面含氧官能团达到最大饱和程度的方法。该研究成果以” How Much Oxygen Can a MXene Surface Take Before It Breaks” 为题发表在《先进功能材料》上（见文后原文链接）。
【图文解析】
图1. 暴露于2 mbar 氧气中0.5小时后，从1到3 片Ti3C2Tx堆叠的单个薄片上得到的平面HRTEM图像。
图4. a) 暴露在2 mbar 氧气中，在室温至450℃下获得的O2、H2O和CO2的RGA谱图。插图显示了b) H2O和c) CO2的放大视图，特别是在450℃的温度窗口(由阴影区域表示)。虚线表示在450℃循环之前的最大电流。解析：作者首先使用一个脱氟的过程去除MXene表面的氟，保留原始的氧基团，然后将MXene暴露在可控的氧环境中，使得其表面官能团只有O。随着在氧环境中暴露时间和温度的增加，MXene表面氧含量会呈现过饱和（x＞2）的现象，这是非常有意义的，之前也没有报道过，而且，预计氧含量增加会增多大量的氢活性位点。长时间暴露后，MXene会分解，造成水解吸出来，形成二维非晶Ti(C, O)2和TiO2纳米粒子。450℃时，MXene结构消失，但是保留了二维材料的性质。除氟后，实验开始时的O含量相当于每个Ti原子表面覆盖0.8 O原子(x = 1.6)。100℃(x = 2)时表面O饱和，氧含量相对稳定，直到温度达到250℃时突然增加(x > 3)，这意味着表面达到了过饱和，即表面每个钛原子吸附1.5 O原子。从这时起，组成变的相对稳定，在400℃时略有增加，达到表面每个Ti原子吸附1.74 O原子(x = 3.48)。在450℃时，碳含量大幅度降低，Ti:O含量接近TiO2。【总结】作者报道了一种可以使MXene表面氧含量达到最大饱和程度的方法，氧含量的提高对于电化学能量存储和催化等领域具有重大意义。在维持MXene片结构下，氧含量可以达到3.5。高分子科学前沿建立了“MXene”，添加小编为好友（微信号：polymer-xiang，请备注：名字-单位-职称-MXene），邀请入群。全文链接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909005
【图文解析】图1. 暴露于2 mbar 氧气中0.5小时后，从1到3 片Ti3C2Tx堆叠的单个薄片上得到的平面HRTEM图像。
图2. 暴露在2 mbar 氧气中0.5小时后的Ti3C2Tx薄片C-K和O-K边缘的EELS谱图。在室温至450℃条件下，通过EELS定量分析得到的C/Ti/O数据。
图4. a) 暴露在2 mbar 氧气中，在室温至450℃下获得的O2、H2O和CO2的RGA谱图。插图显示了b) H2O和c) CO2的放大视图，特别是在450℃的温度窗口(由阴影区域表示)。虚线表示在450℃循环之前的最大电流。解析：作者首先使用一个脱氟的过程去除MXene表面的氟，保留原始的氧基团，然后将MXene暴露在可控的氧环境中，使得其表面官能团只有O。随着在氧环境中暴露时间和温度的增加，MXene表面氧含量会呈现过饱和（x＞2）的现象，这是非常有意义的，之前也没有报道过，而且，预计氧含量增加会增多大量的氢活性位点。长时间暴露后，MXene会分解，造成水解吸出来，形成二维非晶Ti(C, O)2和TiO2纳米粒子。450℃时，MXene结构消失，但是保留了二维材料的性质。除氟后，实验开始时的O含量相当于每个Ti原子表面覆盖0.8 O原子(x = 1.6)。100℃(x = 2)时表面O饱和，氧含量相对稳定，直到温度达到250℃时突然增加(x > 3)，这意味着表面达到了过饱和，即表面每个钛原子吸附1.5 O原子。从这时起，组成变的相对稳定，在400℃时略有增加，达到表面每个Ti原子吸附1.74 O原子(x = 3.48)。在450℃时，碳含量大幅度降低，Ti:O含量接近TiO2。【总结】作者报道了一种可以使MXene表面氧含量达到最大饱和程度的方法，氧含量的提高对于电化学能量存储和催化等领域具有重大意义。在维持MXene片结构下，氧含量可以达到3.5。高分子科学前沿建立了“MXene”，添加小编为好友（微信号：polymer-xiang，请备注：名字-单位-职称-MXene），邀请入群。全文链接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909005
来源：高分子科学前沿
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