2Dtitaniumcarbide(MXene)electrodeswithlowerFsurfac

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二维mxene材料的感存算功能调控与触觉感知应用基础

二维mxene材料的感存算功能调控与触觉感知应用基础

二维mxene材料的感存算功能调控与触觉感知应用基础二维MXene材料的感存算功能调控:触觉感知应用的新篇章在科技日新月异的今天,一种名为二维MXene的新型材料犹如璀璨星辰,在材料科学领域熠熠生辉,以其独特的感存算功能调控特性,为触觉感知应用的研究开辟了全新的道路。

这是一场从微观世界到宏观应用的跨界探索,充满惊奇与挑战,也预示着未来无限可能。

MXene,这个听起来犹如科幻小说中的神秘物质,实则是一种由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成的二维层状材料。

它的出现,如同"破茧成蝶"般打破了传统材料的性能边界,以超凡的导电性、热稳定性及丰富的表面化学活性,在感存算一体的前沿技术中展现出了不可估量的价值。

在这片“二维天地”中,MXene的独特结构赋予其出色的感存算能力。

它能像“千里眼”般敏锐捕捉环境变化,实现高效的传感功能;又能如“记忆合金”般存储信息,进行实时的数据处理;更可贵的是,MXene凭借其优异的运算性能,可在微纳尺度上实现智能决策,真正实现了“一材多用”的理想境界。

而在触觉感知这一广阔的应用领域,MXene更是大放异彩。

想象一下,未来的电子皮肤或许就能借助MXene那如“肌肤之亲”的传感特性,精确模拟并响应人体的各种触觉信号,让机器人的操作更加细腻流畅,甚至能够模拟出逼真的触感反馈。

又或者,基于MXene的新型柔性传感器可以嵌入到各类设备中,形成一个既具备高灵敏度又能实现数据快速存储和计算的智能网络,使得人机交互更为自然直观,仿佛是科技与生活的一次深情对话。

然而,这片“新材料的蓝海”还远未被完全开发, MXene在触觉感知领域的应用基础研究仍需我们深入挖掘,不断优化其感存算性能,推动其实现从实验室走向实际应用的关键跨越。

让我们怀揣对未知的好奇与探索的热情,共同期待MXene 引领我们在触觉感知的道路上翻开崭新的一页,书写属于未来的传奇故事!总而言之,二维MXene材料的感存算功能调控无疑是科技进步的一大亮点,它正以前所未有的方式拓宽触觉感知应用的基础研究范围,带领我们步入一个充满无限创意和可能性的新纪元。

二硼化钛陶瓷在不同温度下的氧化行为_英文_

二硼化钛陶瓷在不同温度下的氧化行为_英文_

二硼化钛陶瓷在不同温度下的氧化行为黄飞,傅正义,王为民,王皓,王玉成,张金咏,张清杰(武汉理工大学,复合材料新技术国家重点实验室,武汉 430070)摘要:采用静态氧化法对不同温度下TiB2陶瓷的氧化行为进行研究,利用X射线衍射仪、扫描电镜、X射线光电子能谱仪对氧化前后的样品进行表征。

结果表明:低温下TiB2陶瓷氧化动力学满足抛物线规律,并在表面形成液相B2O3,阻止氧化反应的进一步进行,冷却后B2O3以玻璃态覆盖在表面。

高温下TiB2氧化反应在4h前满足抛物线规律,表面形成一层TiO2多孔结构;氧化4h后,随着氧扩散距离的延长,扩散阻力加大,从而使氧化速率降低,氧化反应不再满足抛物线规律。

关键词:二硼化钛;氧化动力学;微观结构中图分类号:TF123;TB332 文献标识码:A 文章编号:0454–5648(2008)05–0584–04OXIDATION BEHA VIOR OF TITANIUM DIBORIDE CERAMIC AT DIFFERENT TEMPERATURES HUANG Fei,FU Zhengyi,W ANG W eimin,W ANG Hao,W ANG Yucheng,ZHANG Jinyong,ZHANG Qinjie(State key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University ofTechnology, Wuhan 430070, China)Abstract: The oxidation behavior of TiB2 ceramics at different temperatures was investigated using the static oxidation kinetic method. The samples before and after oxidation have been characterized by X-ray diffractometer, scanning electron microscope and X-ray photoelectron spectrometer. The results show that the oxidation kinetics appear the parabolic law at low temperature. A liquid B2O3 coating on the surface of TiB2 ceramic could prevent from further oxidation. After the ceramic samples were cooled, their sur-faces were covered with glassy B2O3. At high temperature, the oxidation reaction of TiB2 ceramics showed the parabolic law only before 4h. Porous rutile TiO2 formed on the surface. But the oxidation behavior with the parabolic law for the TiB2 ceramics was not observed after oxidation for 4h because of the long path of diffusion, strong diffusion resistance and low reaction rate.Key words: titanium diboride; oxidation kinetics; microstructureTitanium diboride with P6/mmm structure is a uniquely stable compound of the boron element and tita-nium element.[1] TiB2 based materials have received wide attention because of their high hardness and elastic modulus, good abrasion resistance and superior thermal and electrical conductivity.[2–3] Potential applications in-clude high temperature structural materials, cutting tools, armor, electrodes in metal smelting and wear parts. De-spite its useful properties, the application of monolithic TiB2 is limited by poor sinterability, exaggerated grain growth at high temperature and poor oxidation resistance above 800.℃[4–5]The starting temperature to oxidize TiB2 ceramics is about 400℃ and oxidation kinetics is controlled by outward diffusion of interstitial titanium ions and inner diffusion of oxygen ions.[5–6] But there are conflicting viewpoints about the detailed oxidation process, for ex-ample, about the oxidation products and oxidation mechanism. Koh et al.[7] investigated the oxidation be-havior of dense TiB2 specimens with 2.5% in mass (the same below) Si3N4 and found that TiB2 exhibited two distinct oxidation behaviors depending on the tempera-ture. At temperatures below 1000℃, the oxidation layer comprised two layers: an inner layer of crystalline TiO2 and an outer layer mainly composed of B2O3. When the oxidation temperatures were higher than 1000℃, the收稿日期:2007–09–23。

实验方案确定

实验方案确定

1、水热法2、酸碱腐蚀选用合适的刻蚀剂(如HF、LiF+HCl、NH4HF2等)将MAX相中的A原子层剥蚀而制备的一种新型碳/氮化物二维纳米层状材料,兼具良好的导电性和亲水性氢氟酸(HF)刻蚀HF刻蚀MAX相制备MXene是目前使用最广的方法,2011年Naguib和Barsoum就是采用该方法首次制备出MXene的[8]。

HF刻蚀法制备的MXene层片清晰,间隔均匀,但HF是强腐蚀性酸,大量使用无疑会对人体和环境产生危害。

此外HF刻蚀制备出的MXene,层片往往含有一定量的缺陷(如孔洞)[9],会对MXene的应用产生不利影响。

因此,调控HF酸浓度、刻蚀温度、反应时间和前驱物颗粒大小是制备MXene的关键。

1)Ti3C2Tx的制备(Two-dimensional titanium carbide (MXene)-based solid-stateelectrochemiluminescent sensor for label-free single-nucleotide mismatch discrimination in human urine)在连续搅拌48℃(36)的条件下,在室温下,将100μmL 50%的浓HF溶液滴入10μg的Ti3AlC2(max)粉末中,制备了Ti3C2Tx MxEN。

然后将所得悬浮液用去离子水洗涤几次,离心分离粉末,直至上清液的pH达到7(37)。

最后,将所得产物在冷冻干燥器中干燥以进一步使用。

Fig. 2. SEM (A) and TEM (B) images of Ti3C2Tx MXene. (C) XRD patterns of the Ti3C2TxMXene (above) taking unetched Ti3AlC2 (below) for comparison.Fig. 3. (A) Survey XPS data of Ti3C2Tx MXene, and narrow scan spectra for (B) Ti 2p, (C) C 1s, (D) O 1s, respectively.2)2.3。

制备条件对MXene形貌、 结构与电化学性能的影响

制备条件对MXene形貌、 结构与电化学性能的影响

制备条件对MXene形貌、结构与电化学性能的影响陈耀燕;赵昕;王哲;董杰;张清华【摘要】以Ti3 AlC2为原料,采用LiF+HCl一步刻蚀-插层制备Ti3 C2 Tx,进一步通过超声处理得到单层或少层的MXene.利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电化学测试对样品的结构、形貌和电化学性能进行了研究.通过改变刻蚀剂的比例及超声剥离时间,研究了不同刻蚀条件和剥离条件对二维晶体Ti3 C2 Tx的形貌、结构和电化学性能的影响.结果表明,制备条件对MXene的片层结构和性能具有较大的影响.当HCl浓度为6 mol/L,LiF与Ti3 AlC2的摩尔比为7.5,超声时间为1 h时,所得MXene具有较小的晶格常数和较大的片层尺寸,片层尺寸可达1μm,具有较多的表面含氧官能团,电化学性能最佳,在0.5 A/g的电流密度下,质量比容量达到342 F/g,当电流密度提高至20 A/g时,质量比容量仍可保持244 F/g,在1 A/g电流密度下循环10000周后,容量仍能保留87%左右,表现出较好的倍率性能与循环稳定性.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2019(040)006【总页数】9页(P1249-1257)【关键词】MXene;Ti3C2Tx;刻蚀;剥离;电化学性能【作者】陈耀燕;赵昕;王哲;董杰;张清华【作者单位】东华大学材料科学与工程学院,纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;东华大学材料科学与工程学院,纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;东华大学材料科学与工程学院,纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;东华大学材料科学与工程学院,纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;东华大学材料科学与工程学院,纤维材料改性国家重点实验室,上海201620【正文语种】中文【中图分类】O646随着能源需求的日益增长和化石燃料的日渐枯竭, 亟需开发清洁能源和高效的储能技术[1,2]. 在过去的几十年里, 可再生能源已经被广泛利用以缓解能源紧缺和环境污染问题, 如太阳能、风能、潮汐能等. 在对新能源进行利用的过程中, 储能设备的性能尤为重要. 目前应用最广的储能设备为电池, 电池具有高能量密度, 但功率密度低, 阻碍了其在需要高功率密度领域的应用. 而超级电容器能够快速充放电, 同时具有高功率密度和优异的循环稳定性, 但能量密度较低[3,4], 难以满足日渐增长的能量需求. 因此需要开发兼具高功率密度和高能量密度且循环寿命长的电极材料. 电极材料是决定超级电容器性能的关键. 在众多纳米结构的活性材料中, 二维材料具有大比表面积和原子级厚度, 且化学活性高、机械性能优异, 因而被用作超级电容器的电极材料[5]. 目前, 已经被广泛研究的二维材料有石墨烯[6]、过渡金属硫化物[7]、硅烯[8]、黑磷[9]及MXene[10]等.MXene是一种新型的具有类石墨烯结构的二维材料[11], 其化学式为Mn+1XnTx, 其中nn=1, 2, 3, M为前过渡金属元素(如Ti, Sc, Zr, Nb等), X为碳或/和氮元素, Tx为表面官能团(如—OH, —O—, —F). MXene的前驱体MAX相是一类三元层状化合物, 同时具备陶瓷和金属的优良特性, 化学式为Mn+1AXn, 其中M, X, n与上述相同, A为Ⅲ或Ⅳ主族元素. 目前通过刻蚀的方法已制备得到20多种MXene, 包括Ti3C2Tx[11], Ti2CTx[12], Nb4C3Tx[13]等, 其中Ti3C2Tx是第一种被制备出来的MXene, 也是目前研究最深入最广泛的可应用于超级电容器[14]、锂离子电池[15]、染料吸附[16]、生物传感器[17]等的二维材料.不同的制备方法对所制得的Ti3C2Tx的形貌、结构和性能都会产生影响, 而不同的应用领域对材料的形貌、结构和性能均会有不同的要求. Mashtalir等[15]研究了不同插层剂对不同MXene剥离效果的影响, 以及其应用于锂离子电池时对电化学性能的影响; Alhabeb等[18]分析了不同制备方法对Ti3C2Tx形貌、结构以及片层的尺寸和质量的影响. MXene作为超级电容器的电极材料时表现出优异的电化学性能. 如Ghidiu等[14]制得的MXene电极在2 mV/s的扫描速率下比电容达910 F/cm3(245 F/g), 且具有良好的倍率性能和循环性能; Maleski等[19]制得的MXene薄膜在2 mV/s的扫描速率下比电容达293 F/g. 但这些研究仅局限于处理条件对所制备的二维MXene片层结构的影响, 不同制备条件对所获得产物用作超级电容器电极材料时电化学性能的影响尚未见报道.本文研究了刻蚀条件和剥离条件对多层Ti3C2Tx及剥离获得的MXene片层的形貌、结构及应用于超级电容器时对电化学性能的影响.1 实验部分1.1 试剂氟化锂(LiF, 纯度98.5%, 美国Alfa Aesar公司); 盐酸(HCl, 质量分数36%~38%, 国药集团化学试剂有限公司); 硫酸(H2SO4, 质量分数95%~98%, 国药集团化学试剂有限公司); Ti3AlC2(质量分数75%~79%, 乌克兰Carbon-Ukraine有限公司); 实验用水为超纯水.1.2 Ti3AlC2的刻蚀采用刻蚀-剥离两步法制备少层或单层Ti3C2Tx, 制备过程如Scheme 1所示. 首先利用LiF和HCl对Ti3AlC2进行刻蚀, 刻蚀过程相对于直接使用氢氟酸更缓和. 先将LiF完全溶解在20 mL一定浓度的HCl溶液中, 再在磁力搅拌下缓慢加入1 g经过400目网筛选的Ti3AlC2, 在35 ℃下反应24 h. 反应结束后, 将产物用超纯水离心洗涤多次, 至滤液pH>6. 将所得沉淀冷冻干燥, 得到多层Ti3C2Tx粉末. 通过改变LiF, HCl和Ti3AlC2的摩尔比, 获得不同刻蚀程度的多层MXene. 当LiF与Ti3AlC2的摩尔比为7.5, HCl浓度为6 mol/L时, 所得多层MXene记为MMX7.5-6, 类似地, 改变LiF与Ti3AlC2的摩尔比和HCl浓度, 得到了多层粉末MMX7.5-9和MMX12-6.Scheme 1 Schematic of preparation process of MXene flakes by etching and delamination1.3 Ti3C2Tx的剥离通过超声分散将多层Ti3C2Tx剥离为单层或少层Ti3C2Tx. 称取0.4 g刻蚀后的多层Ti3C2Tx分散在100 mL脱氧水中, 在氩气保护下, 于冰水浴中超声0.5 h(第一次超声), 然后将所得分散液在3500 r/min的转速下离心1 h, 上层分散液即为由少层或单层Ti3C2Tx片组成的稳定胶体溶液, 即经一次超声、离心后的稳定分散液. 取一定体积的分散液, 经真空抽滤即可得到Ti3C2Tx柔性薄膜. 将1.2节中的产物经第一次超声、离心后抽滤所制备得到的薄膜分别记为FMX7.5-6, FMX7.5-9和FMX12-6. 为进一步研究超声时间对Ti3C2Tx剥离的效果, 将经第一次超声、离心后所得沉淀物重新分散在100 mL脱氧水中, 于冰水浴再次超声0.5 h(第二次超声), 经离心后再次得到上层悬浮液, 即为经二次超声、离心后的稳定分散液体, 经真空抽滤后得到的薄膜记为FMX7.5-6′, FMX7.5-9′和FMX12-6′.1.4 测试与表征1.4.1 形貌与结构表征采用Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜(FESEM, 日本Hitachi公司)观察多层Ti3C2Tx及MXene薄膜的微观形貌, 加速电压5 kV. 利用JEM-2100F型场发射透射电子显微镜(FETEM, 日本JEOL公司)观察少层或单层MXene的形貌与片层尺寸, 加速电压200 kV. 将Ti3C2Tx胶体溶液稀释后, 利用Nano ZS型纳米粒度分析仪(英国Malvern公司)对其进行测试, 得到Ti3C2Tx片层的尺寸分布. 利用D/max-2500 PC型X射线衍射仪(XRD, 日本Rigaku公司, Cu Kα入射光, λ=0.154 nm)对抽滤所得的MXene薄膜进行测试, 分析其晶面间距. 通过Escalab 250Xi型X射线光电子能谱仪(XPS, 美国Perkin-Elmer公司, PHI-5000C, Al Kα辐射)分析MXene薄膜的元素含量、表面官能团含量及氧化程度.1.4.2 电化学性能表征利用AutoLab PGSTAT302N电化学工作站(瑞士万通公司)和CT200/A蓝电测试系统(武汉蓝电公司), 采用三电极及二电极测试系统对所制备的电极材料的电化学性能进行表征. 在三电极测试系统中, 将抽滤所得MXene薄膜直接用作工作电极, 以铂网作为对电极, 标准银/氯化银电极为参比电极, 1 mol/L的硫酸为电解液.Fig.1 SEM images of Ti3AlC2 powder(A), MMX7.5-6(B), MMX7.5-9(C) and MMX12-6(D)The insets in (B—D) show the multilayered powder in water after handshaking and washing to pH≥6(i) and the dried multilayered powder of Ti3C2Tx(ii).循环伏安(CV)测试的电压区间为-0.4~0.2 V, 扫描速度为0.005, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5 V/s; 恒流充放电测试的电压区间是-0.4~0.2 V, 测试的电流密度为0.5, 1, 2, 5, 10, 20 A/g; 电化学阻抗谱(EIS)测试在开路电压下进行, 频率范围为0.01~100 kHz, 扰动电压为10 mV; 循环稳定性测试的电压区间为-0.4~0.2 V, 电流密度为1 A/g.2 结果与讨论2.1 制备条件对MXene形貌与结构的影响图1为原料MAX相Ti3AlC2及采用不同条件刻蚀后所得多层Ti3C2Tx的SEM照片. 从图中可以看到, 将MAX相中的Al层刻蚀掉后, 出现明显的片层, 且层间距随刻蚀条件的变化而变化, 其中MMX7.5-6的层间距最小, MMX7.5-9的层间距最大, 说明采用LiF-HCl为刻蚀剂时, 提高酸或氟盐的浓度均可增大多层Ti3C2Tx的层间距, 这可能是刻蚀强度增加或Li+插层在表面带负电的MXene片层间导致的. 将所得多层Ti3C2Tx粉末分散到水中, 从图1(B)~(D)中的插图(i)可以看出, MMX7.5-9仅通过手摇就可以将多层Ti3C2Tx剥开, 形成稳定的分散液, 而MMX7.5-6和MMX12-6均需借助超声的作用才能剥离, 说明增大刻蚀强度或增加插层离子能有效减弱MXene层与层间的氢键作用和范德华力, 进而使其剥离所需外力减小. 从图1(B)~(D)中的插图(ii)可以看出, 经刻蚀后所得到的多层Ti3C2Tx粉末中,MMX7.5-9和MMX12-6的体积均大于MMX7.5-6, 但MMX7.5-9的粉末比较蓬松, 实际质量与MMX7.5-6相差不大, 均为1 g左右, 这是因为HCl浓度的增加使H+能够与Li+发生离子交换, 多层MXene发生膨胀. 而MMX12-6的质量达到了1.4 g, 这可能是由于LiF量增加, 生成的LiCl残留在多层MXene中所致.图2为采用不同刻蚀条件和不同剥离条件时得到的少层或单层MXene的TEM照片. 图2(A~C)依次为MMX7.5-6, MMX7.5-9, MMX12-6分散在脱氧水中经一次超声(0.5 h)、离心后得到的少层或单层MXene. 可以看到, FMX7.5-6包含了几个片层, 还没有完全剥开, 但片层尺寸比较大, 可达到1 μm. 相比之下, FMX7.5-9和FMX12-6的片层比较薄但尺寸较小. 这与多层Ti3C2Tx的SEM照片中层间距的结果相符, 层间距越大越容易剥离, 但薄片层在超声作用下容易碎裂, 因此尺寸变小. 进一步进行第二次超声、离心后, 如图2(D~F)所示, 与经第一次超声得到的MXene相比, 产物的片层剥离程度提高, 但大尺寸的片层减少, 片层尺寸分布更加均匀. 说明延长超声时间更有利于多层Ti3C2Tx的进一步剥离, 适当延长超声时间有利于得到尺寸分布均匀的单层或少层MXene, 且片层尺寸减小的幅度不会很大. 这是由于超声的作用使多层MXene剥离, 但过量的能量会使部分化学键发生断裂, 导致片层尺寸减小[19].Fig.2 TEM images of FMX7.5-6(A), FMX7.5-9(B), FMX12-6(C), FMX7.5-6′(D), FMX7.5-9′(E) and FMX12-6′(F)Fig.3 Particle size distribution of Ti3C2Tx with sonication for the firsttimes(A) and the second times(B) and concentration distribution of colloidal aqueous solutions of Ti3C2Tx obtained after sonicating for the first times(left) and the second times(right)(C)进一步分析经超声、离心后所得少层或单层MXene的尺寸分布, 结果如图3所示. 由图3(A)和(B)中的粒径分布图可知, 经第一次超声、离心后, FMX7.5-6的平均片层尺寸集中在1 μm以上, FMX7.5-9和FMX12-6的平均片层尺寸约为550 nm; 而经第二次超声、离心后, 3种MXene的平均片层尺寸均在500 nm左右, 尺寸均有所减小, 与TEM照片中的结果一致. 进一步对比可以看出, 经第一次超声、离心后得到的MXene片层尺寸分布比较宽, 尤其是FMX7.5-9出现了2个强度相当的峰, 尺寸分布不均匀; 而经第二次超声、离心后得到的片层尺寸分布明显均匀了很多, 出峰比较尖锐, FMX7.5-9′也只有一个宽峰. 结果表明, 适当延长超声时间有利于对多层Ti3C2Tx的进一步剥离, 且所得单层或少层MXene的尺寸逐渐变均匀. 图3(C)为MMX7.5-6, MMX7.5-9, MMX12-6分别经第一次超声(0.5 h)和第二次超声(0.5 h)后所得分散液的浓度. 从图中可以看到, 经第二次超声后分散液的浓度与经第一次超声后分散液的浓度有一定的差别, 这说明超声时间对剥离程度具有较大的影响. 总的来说, FMX7.5-9的产率最高, FMX7.5-6的产率最低, 证明多层Ti3C2Tx的层间距越大, 越容易剥离, 且层间距最大的MMX7.5-9在第二次超声后得到的溶液浓度低于第一次超声的, 说明当层间距较大时, 超声0.5 h即可将大部分Ti3C2Tx剥开; 而MMX7.5-6和MMX12-6第二次超声所得溶液浓度大于第一次超声的, 说明这2种多层Ti3C2Tx中的大部分都需要超声0.5 h以上才能剥开. 所得结果进一步说明, Ti3C2Tx层间距的大小直接影响了剥离所需的超声时间, 即剥离的难易程度. 酸的浓度越高, 其提供的H+浓度也高, H+与Li+交换能促进Ti3C2Tx的剥离[20]. 当LiF与Ti3AlC2的摩尔比为7.5, HCl浓度为9 mol/L时, 所得多层Ti3C2Tx具有较大的层间距, 进而有利于后期片层的剥离.图4为将不同条件所获得的单层或少层MXene分散液抽滤后所得MXene柔性薄膜截面的SEM照片. 可以看出, FMX7.5-6的片层堆叠相对疏松, 结合TEM照片推测这可能是由于较厚的少层MXene含量较多, 导致片层堆叠不紧密. 其它较薄的少层或单层Ti3C2Tx在抽滤过程中都发生了均匀紧密的自堆叠, 可得到自支撑柔性薄膜.Fig.4 SEM images of fracture surfaces of the dried films(A) FMX7.5-6; (B) FMX7.5-9; (C) FMX12-6; (D) FMX7.5-6′; (E) FMX7.5-9′; (F) FMX12-6′.Fig.5 XRD patterns of multilayered MXene powder(A) and the dried films(B) 进一步通过XRD测试对所得MXene薄膜的结构进行分析, 结果如图5所示. 由图5(A)可知, 原料MAX相中除了Ti3AlC2外, 还含有少量Ti2AlC. 多层MXene中可以看到仍有Ti3AlC2的特征峰, 同时也出现了Ti3C2Tx的特征峰. 而从图5(B)中可以看到少层或单层MXene抽滤所得MXene薄膜中均无Ti3AlC2的特征峰, 这是由于多层MXene为MAX被刻蚀后离心洗涤所得沉淀物, 故未完全刻蚀的Ti3AlC2也会残留在其中; 而少层或单层MXene为多层MXene超声剥离后离心所得上层分散液, Ti3AlC2沉淀在离心管底部, 因此少层/单层MXene中不含有Ti3AlC2. 从图5(A)中可以看到, 多层MXene的(002)晶面衍射峰位向低角度发生了明显的偏移, 说明3种反应条件均能刻蚀Ti3AlC2得到Ti3C2Tx. 刻蚀后晶面间距的增加一方面是由于Al的去除, 另一方面和表面官能团(—F, —O—, —OH)的引入也有关[18]. 比较3种刻蚀条件所得MXene的晶面间距, 发现MMX7.5-9的层间距最大, 晶格常数在2.65 nm左右, MMX12-6其次, 晶格常数在2.55 nm左右, MMX7.5-6最小, 晶格常数在2.52 nm左右, 结果与SEM照片一致.Fig.6 XPS surveys of FMX7.5-6′(a), FMX7.5-9′(b) and FMX12-6′(c)从图6的XPS全谱图中可以看到, 用不同方法制备所得多层Ti3C2Tx的元素组成基本相同, 均含有C, Ti, O, F 4种元素[21], 且未探测到Al元素的存在, 说明Al在刻蚀过程中已被基本除尽. 根据图7(A)中3个样品的C1s谱图[22], 再结合全谱中C原子的含量, 可以计算得到每个样品表面官能团的总含量(原子含量). FMX7.5-9′的表面官能团含量最高, Ti, F, O原子含量为21.96%, 而FMX12-6′的表面官能团含量为17.93%, FMX7.5-6′的表面官能团含量最低, 只有16.76%.结合XRD谱图可知, 表面官能团含量越高, Ti3C2Tx的层间距越大. 在所有表面官能团(—O—, —F和—OH)中, 只有—O—可参与电化学反应从而实现储能性能[21,23], 因此结合O1s谱图进一步分析3种条件下制备的Ti3C2Tx中—O—官能团的含量[图7(A, B)]. 根据O1s谱图[24]和全谱中O原子的含量, 计算得到每个样品所有含氧官能团所占的比例. 依旧以一个Ti3C2Tx为单位, FMX7.5-6′, FMX7.5-9′和FMX12-6′的含氧官能团含量依次为15.78%, 14.68%, 14.19%, 呈递减趋势, 理论上这3个样品的容量性能也呈递减的趋势. 图7(C)和(D)分别为FMX7.5-6′的Ti2p和F1s谱图. Ti2p XPS谱由5个双峰构成, 其中Ti—C来自于Ti3C2, Ti(Ⅱ)和Ti(Ⅲ)包含氧化物和羟基化物, Ti(Ⅳ)为TiO2[25,26], 说明样品中有部分的Ti被氧化. 从F1s谱图中可以看到样品中仍残留有微量的Al元素.Fig.7 C1s(A) and O1s(B) XPS spectra of FMX7.5-6′(a), FMX7.5-9′(b), FMX12-6′(c) and Ti2p(C) and F1s(D) XPS spectra of FMX7.5-6′2.2 制备条件对MXene电化学性能的影响图8(A)为所制备的不同MXene薄膜在10 mV/s扫描速率下的循环伏安曲线, 可以明显看出, FMX7.5-9的质量比容量最小, 其它5个样品相差不大. 通过计算得到, 在10 mV/s的扫描速率下, FMX7.5-9′的质量比容量最大, 为273 F/g, 而FMX7.5-6′和FMX12-6′均为264 F/g. 以FMX7.5-6′为例, 随着扫描速率的增加,其循环曲线仍保持近似矩形[如图8(B)], 说明在高扫描速率下, MXene薄膜仍具有良好的电容性. 这可能是因为电解液H2SO4中的H+与其它插层阳离子相比具有较小的体积, 有利于氧化还原反应的快速进行, 也可能是由于堆叠的MXene片层间接触良好, 同时形成开放结构, 有利于电解液离子的快速扩散.Fig.8 CV curves of all the MXene films at a scan rate of 10 mV/s(A) and FMX7.5-6′ at different scan rates(B)从图9(A)中可以看出, 所有样品的充放电曲线都呈对称的三角形, 说明都具有良好的电容性. 除了FMX7.5-9和FMX12-6的性能稍差一些, 其它几个样品的质量比容量都十分接近. FMX7.5-6′的放电时间最长, 具有最大的质量比容量, 在0.5 A/g 电流密度下, 质量比容量为342 F/g. 由图9(B)可见FMX7.5-6′在不同电流密度下均表现出较好的电容性能.Fig.9 Galvanostatic charge-discharge curves of all the films at a current density of 0.5 A/g(A) and FMX7.5-6′ at different current densities(B)Fig.10 Gravimetric rate performances(A) and Nyquist plots(B) of all the MXene films从图10(A)可以看到, 当刻蚀条件相同时, 累计超声1 h所得Ti3C2Tx的质量比容量均比超声0.5 h得到的Ti3C2Tx更高一些, 说明长时间的超声剥离有利于提高材料的电化学性能. 因为随着超声时间延长, 片层尺寸减小, 同时也可能引入缺陷结构, 有利于电解液扩散并与活性位点充分接触. 但提高的幅度不同, 其中超声时间对MMX7.5-9剥离后所得MXene电化学性能的影响最大, 在0.5 A/g电流密度下, FMX7.5-9的质量比容量为245 F/g, 而FMX7.5-9′的质量比容量为338 F/g, 增加了近100 F/g; 而超声时间对MMX12-6剥离后所得MXene电化学性能的影响最小, 在0.5 A/g电流密度下, FMX12-6的质量比容量为297 F/g, FMX12-6′的为324 F/g, 仅增加27 F/g. 在相同的超声时间下, 以经二次超声的产物为例,FMX7.5-6′的质量比容量无论在低电流密度还是高电流密度下都是最高的, 在0.5 A/g下, 质量比容量达342 F/g. FMX12-6′的质量比容量在不同电流密度下均为最低, 这一变化趋势与XPS分析结果一致. 同时, FMX7.5-6′表现出最佳的倍率性能, 在20 A/g的电流密度下, 其质量比容量仍可保持244 F/g. 对比在不同电流密度下FMX7.5-6, FMX7.5-9, FMX12-6和FMX7.5-6′, FMX7.5-9′, FMX12-6′的质量比容量变化可以发现, 超声时间的改变对材料倍率性能影响不大. 总之, FMX7.5-6′表现出最佳的质量比容量和倍率性能.Fig.11 Capacitance retention rate of FMX7.5-6′ at a current density of 1 A/g 所得不同薄膜的交流阻抗曲线[图10(B)]均由高频区的一个半圆弧和低频区的直线组成. 从阻抗谱中可以看到, 所有样品的等效串联电阻均接近0, 低频区的直线均接近垂直, 接近理想电容器, 说明不同制备条件对MXene薄膜的等效串联电阻和扩散电阻影响不大, 所得MXene均具有良好的导电性. 高频区的半圆弧直径越小说明电极材料具有相对较小的电荷转移电阻(Rct), 有利于电荷在电极材料内部传输, 具有较高的导电性. 在H2SO4电解液中, Rct值越小, 活性物质能与水合氢离子接触的电化学活性面积越大, 比电容越高. 从图10(B)中可以看到, FMX7.5-9′的Rct最小, FMX7.5-6′的Rct略大于FMX7.5-9′. 但由于Ti3C2Tx的容量主要由赝电容贡献, 同时双电层电荷阻碍了氧化还原过程的进行[27], 因此, 虽然FMX7.5-6′的Rct略大于FMX7.5-9′, 但其质量比容量反而略高于FMX7.5-9′. 进一步对FMX7.5-6′的循环稳定性进行测试, 如图11所示, 在1 A/g电流密度下循环10000周后,FMX7.5-6′的容量仍能保留87%左右, 表现出较好的循环稳定性.3 结论在不同的刻蚀条件和剥离条件下制备了Ti3C2Tx及其剥离后的单层或少层MXene, 并表征了其形貌、结构和电化学性能. 结果表明, 在刻蚀过程中, 提高H+或F-浓度均可增大层间距, 也会增大刻蚀强度, 但不利于得到大片层的MXene. 提高H+浓度对层间距的增大效果更显著, 即MMX7.5-9的层间距最大, MMX12-6其次, MMX7.5-6最小. 但表面含氧官能团的含量会随H+或F浓度的增加而减少, 导致电化学性能下降, 因此MMX7.5-6具有最佳的电化学性能. 在剥离过程中, 超声时间越长剥离效果越好, 且当超声时间延长至1 h时, 片层尺寸不会发生明显减小, 反而会分布得更加均匀, 且电化学性能提高. MXene薄膜FMX7.5-6′在0.5 A/g电流密度下的质量比容量为342 F/g, 当电流密度提高至20 A/g时, 质量比容量仍可保持244 F/g, 在1 A/g扫描速率下循环10000周后, 容量仍能保留87%左右, 表现出较好的倍率性能与循环稳定性.参考文献【相关文献】[1] Larcher D., Tarascon J. M., Nat. Chem., 2015, 7(1), 19—29[2] Wang G., Zhang L., Zhang J., Chem. Soc. Rev., 2012, 41(2), 797—828[3] Rakhi R. B., Ahmed B., Anjum D., Alshareef H. N., ACS Appl. Mater. Inter., 2016, 8(29), 18806—18814[4] Liu W., Wang Z., Su Y., Li Q., Zhao Z., Geng F., Adv. Energy Mater., 2017, 7(22), 1602834[5] Xiong D., Li X., Bai Z., Lu S., Small, 2018, 14(17), 1703419[6] ElKady M. F., Strong V., Dubin S., Kaner R. B., Science, 2012, 335(6074), 1326—1330[7] Acerce M., Voiry D., Chhowalla M., Nat. Nanotechnol., 2015, 10(4), 313—318[8] Lalmi B., Oughaddou H., Enriquez H., Kara A., Vizzini S., Ealet B., Aufray B., Appl. Phys. Lett., 2010, 97(22), 22310[9] Liu H., Du Y., Deng Y., Ye P. D., Chem. Soc. Rev., 2015, 44(9), 2732—2743[10] Anasori B., Lukatskaya M. R., Gogotsi Y., Nat. Rev. Mater., 2017, 2(2), 16098[11] Naguib M., Kurtoglu M., Presser V., Lu J., Niu J., Heon M., Hultman L., Gogotsi Y., Barsoum M. W., Adv. Mater., 2011, 23(37), 4248—4253[12] Naguib M., Mashtalir O., Carle J., Presser V., Lu J., Hultman L., Gogotsi Y., Barsoum M. W., ACS Nano, 2012, 6(2), 1322—1331[13] Ghidiu M., Naguib M., Shi C., Mashtalir O., Pan L. M., Zhang B., Yang J., Gogotsi Y., Billinge S. J. L., Barsoum M. W., Chem. Commun., 2014, 50(67), 9517—9520[14] Ghidiu M., Lukatskaya M. R., Zhao M. Q.,Gogotsi Y., Barsoum M. W., Nature, 2014, 516(7529), 78—81[15] Mashtalir O., Naguib M., Mochalin V. N., Dall'agnese Y., Heon M., Barsoum M. W., Gogotsi Y., Nat. Commun., 2013, 4, 1716[16] Mashtalir O., Cook K. M., Mochalin V. N., Crowe M., Barsoum M. W., Gogotsi Y., J. Mater. Chem. A, 2014, 2(35), 14334—14338[17] Liu H., Duan C., Yang C., Shen W., Wang F., Zhu Z., Sensor Actuat. B-Chem., 2015, 218, 60—66[18] Alhabeb M., Maleski K., Anasori B., Lelyukh P., Clark L., Sin S., Gogotsi Y., Chem. Mater., 2017, 29(18), 7633—7644[19] Maleski K., Ren C. E., Zhao M. Q., Anasori B., Gogotsi Y., ACS Appl. Mater. & Inter., 2018, 10(29), 24491—24498[20] Shahzad F., Alhabeb M., Hatter C. B., Anasori B., Hong S. M., Koo C. M., Gogotsi Y., Science, 2016, 353(6304), 1137—1140[21] Hu M., Hu T., Li Z., Yang Y., Cheng R., Yang J., Cui C., Wang X., ACS Nano, 2018, 12(4), 3578—3586[22] Halim J., Cook K. M., Naguib M., Eklund P., Gogotsi Y., Rosen J., Barsoum M. W., Appl. Surf. Sci., 2016, 362, 406—417[23] Hu M., Li Z., Hu T., Zhu S., Zhang C., Wang X., ACS Nano, 2016, 10(12), 11344—11350[24] Zhao L., Dong B., Li S., Zhou L., Lai L., Wang Z., Zhao S., Han M., Gao K., Lu M., Xie X., Chen B., Liu Z., Wang X., Zhang H., Li H., Liu J., Zhang H., Huang X., Huang W., ACS Nano, 2017, 11(6), 5800—5807[25] Dall'agnese Y., Lukatskaya M. R., Cook K. M., Taberna P. L., Gogotsi Y., Simon P., Electrochem. Commun., 2014, 48(48), 118—122[26] Zhang C. J., Pinilla S., McEvoy N., Cullen C. P., Anasori B., Long E., Park S. H., Ascao A. S., Shmeliov A., Krishnan D., Morant C., Liu X., Duesberg G. S., Gogotsi Y., Nicolosi V., Chem. Mater., 2017, 29(11), 4848—4856[27] Zhan C., Naguib M., Lukatskaya M., Kent P. R. C., Gogotsi Y., Jiang D., J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9(6), 1223—1228。

mxene材料

mxene材料

mxene材料MXene材料。

MXene材料是一种新型的二维材料,由于其独特的结构和优异的性能,受到了广泛的关注和研究。

MXene材料最早是由康奈尔大学的研究团队在2011年发现的,它是一种类似于石墨烯的二维材料,但在一些方面表现出更加优越的性能。

在过去的几年中,MXene材料已经成为了材料科学领域的热点之一,被广泛应用于储能、催化、传感、防护等领域。

MXene材料的独特结构是其优异性能的关键。

它的结构由多层的Ti3C2Tx纳米片组成,其中Ti代表钛元素,C代表碳元素,Tx则代表表面官能团,如-OH、-F等。

这种层状结构使得MXene材料具有优异的导电性和机械性能,同时也为其提供了丰富的表面官能团,使得其具有良好的化学活性和表面活性。

这些特性使得MXene材料在储能和催化领域有着广泛的应用前景。

在储能领域,MXene材料被广泛应用于超级电容器和锂离子电池等领域。

由于其优异的导电性和大表面积,MXene材料可以作为电极材料,显著提高了电极的电荷传输速率和储能密度。

同时,MXene材料的层状结构也使得其具有良好的离子拓扑结构,有利于锂离子在电极材料中的嵌入和脱嵌,从而提高了电池的循环寿命和充放电性能。

在催化领域,MXene材料也展现出了良好的应用前景。

由于其丰富的表面官能团和优异的导电性,MXene材料可以作为催化剂载体,用于催化反应的进行。

同时,MXene材料本身也具有一定的催化活性,可以直接参与催化反应。

这些特性使得MXene材料在氢能、氧还原反应等领域有着广泛的应用前景。

除了储能和催化领域,MXene材料还在传感、防护等领域展现出了广阔的应用前景。

由于其优异的导电性和化学活性,MXene材料可以作为传感器的敏感材料,用于检测环境中的有害气体、重金属离子等。

同时,MXene材料还具有良好的机械性能和导电性能,可以用于制备柔性电子器件、防护材料等。

总的来说,MXene材料以其独特的结构和优异的性能,在储能、催化、传感、防护等领域展现出了广阔的应用前景。

二氧化钛表面超强酸化光氧复合降解罗丹明B

二氧化钛表面超强酸化光氧复合降解罗丹明B

第40卷第2期2021年3月Vol.40No.2Mar.2021大连工业大学学报JournalofDalianPolytechnicUniversityDOI:10.19670/ki.dlgydxxb.2021.0210二氧化钛表面超强酸化光氧复合降解罗丹明B温宇,杨大伟(大连工业大学轻工与化学工程学院,辽宁大连116034)摘要:采用共结晶方法制备了锌锆共掺杂的介孔二氧化钛,前驱体用硫酸处理使其具有超强酸性。

将制备的介孔二氧化钛用于降解废水模拟物罗丹明B,测试其光催化与氧催化降解能力。

通过紫外-可见分光光度计、X射线衍射、电镜扫描等对催化剂进行表征,实验结果表明,在强酸修饰二氧化钛前驱体的影响下,掺杂锌锆的介孔二氧化钛具有光催化与氧催化活性。

锌锆共掺杂介孔二氧化钛的光催化与氧催化效率分别达到了72%与25%o硫酸处理后在TiO2与掺杂原子表明形成酸性中心,在无光条件下氧化降解废水效率为30%,提高了降解效率。

关键词:二氧化钛;光催化;酸催化;罗丹明B中图分类号:X703.5文献标志码:A文章编号:1674-1404(2021)02-0136-04Composite degradation of rhodamine B using TiO2withphotocatalytic oxygen and super acidWEN Yu,YANG Dawei(SchoolofLightndustryandChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China) Abstract:The mesoporous titania doped with zinc oxide,zirconium dioxide,zinc and zirconium were prepared by the co-crystallization method and the precursor of mesoporous titania was pretreated with sulfuric acid to endowed it super acidic.The mesoporous titania was used for degradation of rhodamine B in simulated wastewater and its photocatalytic activity and oxygen catalytic ability was analyzed by UV-visible spectrophotometer,X ray diffraction,scanning electron microscopy.The results showed that the T1O2doped metal oxides and super acid exhibited excellent photocatalytic and oxygen catalytic ability.The degradation rate of rhodamine B photocatalyzed and oxygen catalyzed by the prepared catalysts were72%and25%,respectively.After treatment with sulfuric acid,the acidic centers were formed between the doped atoms and the surface of titanium dioxide,which improved the oxygen degrading efficiency of wastewater to30%.Keywords:TiO2;photocatalytic;acidic catalysis;rhodamine B0引言工业生产中生成的有机废水对环境造成严重污染,国家对废水排放标准执行越来越严格,如何降低或消除有机废水中大分子有机物成为研究的重点。

MXene材料与改性导电碳布复合及其超级电容器性能


-6- 科学技术创新
图 2 Ti3C 2Tx-C C 制备流程图
图 3 (a)Ti3C 2Tx 的 X 射线衍射图像袁(b) Ti3C 2Tx 的红外光谱图像袁(c) Ti3C 2Tx 的扫描电镜图像
1.5 测试方法 Ti3C2Tx 粉末相组成由 X 射线衍射仪 渊 Helios G4 UC 型冤 获 得遥 方块电阻表征在 RTS-9 型双电测四探针仪上完成遥 Ti3C2Tx 粉末微观形貌由双束超高分辨场发射扫描电镜(FIB-SEM袁英国 Oxford Instruments)观察得到袁表面官能团组成采用傅立叶红外 光谱仪(FTIR,美国热电公司)分析测试遥 制备好的 Ti3C2Tx-CC 电极的电化学表征是在三电极测试系 统上完成的遥 Ti3C2Tx-CC 电极为工作电极袁饱和甘汞电极为参比 电极袁铂片电极为对电极遥 将固定好的电极放入电解槽中袁注入 1 M H2SO4 电解液遥 电化学测试是在 CHI660 电化学工作站进 行遥 CV 曲线电压扫描速率范围为 5mV/s 至 100 mV/s遥 电化学阻 抗 (EIS) 测试在开路电压下进行袁 测试频 率范围 在 0.01 ~ 100KHz遥 恒电流充放电(GCD)测试的电压区间为-0.2 ~ +0.2V袁 测试的电流密度为 1A/g尧3A/g尧5A/g尧7A/g尧10A/g遥 循环稳定性测 试的电压区间在-0.2 ~ +0.2V袁电流密度为 10A/g遥 2 结果与讨论 本文制备的 Ti3C2Tx 粉末 XRD 测试和 FTIR 测试结果分别 如图 3渊 a冤 和图 3渊 b冤 所示遥 Ti3C2Tx 在 6.61毅, 16.8毅, 27.5毅, 34.8毅, 41.7毅 , 和 60.7毅 的 特 征 峰 分 别 对 应 于 渊 002冤 袁渊 004冤 袁渊 008冤 袁 渊 0010冤 袁渊 0012冤 袁渊 110冤 晶面袁其层间距 d=6.83毅[11]遥 为了解 Ti3C2Tx 的官能团构成袁对 Ti3C2Tx 进行傅立叶变换红外吸收光谱分析如 图 3(b)所示遥 Ti3C2Tx 在~3480cm-1 峰值代表-OH 官能团袁而在~

二维晶体MXene的制备及催化领域的应用研究进展

第37卷第6期 娃酸盐通报Vol.37 No.6 2018 年 6 月________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_____________________June,2018二维晶体MXene的制备及催化领域的应用研究进展郑会奇,陈晋,李延军(西安建筑科技大学材料与矿资学院,西安710055)摘要:二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料,由于其独特而优异的物理化学性质,很 快成为近年来的研究热点。

二维晶体MXene材料具有良好的导热导电性、高热稳定性和抗氧化性,在催化领域显 示出巨大的潜能可用于降解污染物、水解制氢、以及还原二氧化碳。

介绍了 MXene的结构及化学液相刻蚀、高温分 解和气相刻蚀的制备方法,综述了 MXene在催化领域的应用研究进展,展望了 MXene在催化领域的应用前景和未 来的研究方向。

关键词:二维晶体;MXene;制备;催化领域中图分类号:TB34 文献标识码:A 文章编号:1001-1625 (2018) 06-1908-06 Research on Preparation and Photocatalytic Application of Two-dimensionalCrystal MXeneZHENG Hui-qi,CHEN Jin,LI Yan-jun(College of Materials and Mineral Resources,X iJ an University of Architecture and Technology,X iJ an 710055 ,China) Abstract: Two-dimensional materials, which are the materials that can only move freely on non-nanometer scales of two dimensions, have become a hot topic in recent years due to its unique and excellent physical and chemical properties. The two-dimensional crystal MXene materials has good thermal conductivity, high thermal stability and oxidation resistance. The catalytic field shows great potential for degrading pollutants, hydrolyzing hydrogen, and reducing carbon dioxide. We introduce the structure of MXene and the preparation method of chemical liquid etching, high temperature decomposition and gas etching. The application of MXene in the field of photocatalysis was reviewed. The prospect and future research direction of MXene in photocatalysis are prospected.Key words:two-dimensional crystal ; MXene ; preparation ; catalytic field1引言二维材料的发展自从石墨烯的出现以来,在许多领域的应用得到了拓宽,其研究方向已经多元化起来,它通常由石墨烯、过渡金属碳化物或氮化物和其他石墨烯基元素组成[1]。

一种二维层状黑色二氧化钛的制备方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910516183.5(22)申请日 2019.06.14(71)申请人 西北大学地址 710127 陕西省西安市长安区郭杜教育科技产业区学府大道1号(72)发明人 蒋海英 钱婧 赵森 解兴隆 (74)专利代理机构 北京盛凡智荣知识产权代理有限公司 11616代理人 魏蓓(51)Int.Cl.C01G 23/08(2006.01)B01J 21/06(2006.01)B82Y 40/00(2011.01)(54)发明名称一种二维层状黑色二氧化钛的制备方法(57)摘要本发明公开了一种二维层状黑色二氧化钛的制备方法,采用新型二维层状Ti3C2 MXenes材料,仅通过一步热处理即可制备具有二维层状结构的黑色二氧化钛(TiO2)。

具体操作如下:取一定量Ti3C2 MXenes粉末置于高温炉中,以特定的升温速率由室温加热至一定温度,并在该温度下保持一定的时间,待样品自然冷却至室温,即可制得二维层状黑色TiO2。

该方法不涉及任何苛刻危险的条件,所用原料只有简单易得的Ti3C2MXenes,不涉及因反应配比不当而导致的生产浪费,也不涉及后期分离步骤,反应条件简单,生产成本低,能够稳定实现二维层状黑色二氧化钛的大量均匀制备,生产过程的安全性和可靠性大大提高。

权利要求书1页 说明书4页 附图4页CN 110372034 A 2019.10.25C N 110372034A1.一种二维层状黑色二氧化钛的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:通过HF刻蚀Ti3AlC2陶瓷获得二维层状Ti3C2 MXenes粉体;步骤2:将步骤1中获得的二维层状Ti3C2 MXenes粉体置于高温炉中待处理,高温炉内部填充气为空气;步骤3:以特定的升温速度将高温炉内部温度升高至目标温度进而对二维层状Ti3C2MXenes粉体进行热处理,这里的目标温度为200℃-900℃,并且在目标温度处保持10分钟-120分钟;步骤4:停止对高温炉内部进行加热,使之自然冷却,得到二维层状黑色TiO2。

mxene 钠电 负极

mxene 钠电负极MXene是一种具有许多优异性能的二维材料,被广泛应用于电化学储能领域。

其中,MXene钠电负极是一种用于钠离子电池的电极材料。

本文将从MXene钠电负极的起源、结构特点、性能改进以及应用前景等方面进行详细探讨。

MXene材料是由于2011年的时候一位美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家Dmitry D. et al首次提出的,MXene是一种二维层状结构的纳米材料,由金属硅氮烯或碳钛硅氮烯等组成。

其结构特点是具有多孔结构,同时层状的结构使其具有较高的表面积,这使得MXene材料具有良好的电容性能。

MXene钠电负极是以MXene材料为基础制备的钠离子电池的负极材料。

MXene钠电负极的制备通常采用化学剥离和电化学氧化还原等方法。

具体过程是先使用化学剥离法将MXene材料从硅、氮等官能团中剥离出来,然后通过电化学还原使其层状结构展开并形成基材。

最终得到的MXene钠电负极具有高比容量和良好的循环性能。

此外,MXene钠电负极还具有良好的导电性和化学稳定性,能够满足钠离子电池对电极材料的要求。

MXene钠电负极的性能可以通过改变其结构和组分来实现进一步的改进。

一种常见的方法是通过改变MXene材料的层数和官能团来调节其电化学性能。

例如,通过控制化学剥离条件,可以得到不同层数的MXene材料,从而实现对比容量和循环性能的调控。

此外,还可以通过控制MXene材料的官能团,如硅氧化物、氰基等的引入来改变其电化学性能。

MXene钠电负极具有良好的应用前景。

首先,钠离子电池作为锂离子电池的替代品,具有资源丰富、成本低廉的特点。

因此,MXene钠电负极作为钠离子电池的重要组成部分,可以满足人们对大容量、高性能电池的需求。

其次,MXene材料具有多孔结构和较高的表面积,可以有效提高电极材料的可充放电容量和循环寿命。

此外,MXene材料还具有良好的导电性和化学稳定性,适用于高电流密度和长循环寿命的电池应用。

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Journal of Energy Chemistry 31 (2019) 148-153ELSEVIERContents lists available at ScienceDirectJourndl of Energy Chemistryjournal homepage: /locate/jechemJGC■IOURNAI OF GNCRGY C HCMISTRYhttp://www.journals.elsevier.8m/journal-of-energy-chemistry/2D titanium carbide (MXene) electrodes with lower-F surface for high performanee lithium-ion batteriesMing Lu&b, Haojie Li bc , Wenjuan Han bd , Junnan Chen b , Wen Shi b , Jiaheng Wang c , Xiang-Min Meng e , Jingang Qi f , Haibo Li d , Bingsen Zhang b *, Wei Zhang 3-*, Weitao Zheng 3*a Key Laboratory of Automobile Materials MOE, School of Materials Science & Engineering. Electron Microscopy Center, International Center of Future Science. Jilin University, Changchun 130012, Jilin, Chinab Shenyang National Laboratory for Materials Science. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, Chinac Department of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Xuancheng 242000, Anhui, Chinad Key Laboratory of Functional Materials Physics and Chemistry of the Ministry of Education, Jilin Normal University, Siping 136000, Jilin, Chinae Key Laboratory of Photochemical Conversion and Optoelectronic Materials, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, Chinaf School of Material Science & Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, Liaoning, ChinaARTICLE INFOABSTRACTArticle history:Received 20 April 2018Revised 30 May 2018Accepted 30 May 2018Available online 14 June 2018Keywords:Ti 3C 2MXene Li-ion Hydrogen -F contentMXene has shown distinctive advantages as anode materials of lithium-ion batteries. However, local sur ­face chemistry, which was confirmed that can block ion transfer and limit redox reaction, has a significant effect on electrochemical performance. Herein, annealing MXene under hydrogen was employed for re ­moving -F and turning -OH to -0 terminations. We dem o n s trate that 让 improves the kinetics of Li-ion transport between the electrolyte and electrode. As a result, a lower interfacial charge transfer impedance was obtained. The electrochemical measurement exhibited that a nearly 2-fold increase of specific capac ­ity was achieved for the annealed MXene.© 2018 Science Press and Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences. Publishedby Elsevier B.V. and Science Press. All rights reserved.1. IntroductionCommercial rechargeable lithium-ion batteries (LIBs) widely adopt graphite as anodes. However, graphite anodes cannot meet the booming demand of energy storage due to the poor Li ion storage capacity. Therefore, searching new anode materials for LIBs becomes urgent [1-3]. In 2011, Naguib et al. obtained the earliest 2D transition metal carbides, known as MXene (T13C2), by selective etching Al layer from Ti 3AlC 2, and predicted that it can be a host for Li storage [4].Ti 3AlC 2 + 3HF = A1F 3 + 3/2H 2 + Ti 3C 2 (1)Ti 3C 2 + 2H 2O = Ti 3C 2(OH)2 + H 2(2)Ti 3C 2-F2HF = Ti 3C2F2 + H 2 (3)' Corresponding authors.E-mail addresses: bszhang@ (B. Zhang), weizhang@ (W. Zhang), wtzheng@ (W. Zheng).Then, the multilayer T13C2, the Ti 3C 2 paper, and the functional ­ized derivatives were experimentally explored as anode materials for LIBs. Inspired by the investigation of other 2D materials, the 3D porous structure [5], "pillar effect" [6], and hybrid materials were employed for enhancing the electrochemical performance of Ti 3C 2 MXene [7], In addition, a series of computational investiga ­tions indicated that surface functionalization has significant impact on both structural and electronic properties of MXenes. For pin- poiting the surface chemistry of Ti 3C 2, X-ray photoelectron spec ­troscopy (XPS) analysis was employed to unravel the presence of -0, -OH and -F terminations. Besides, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and nuclear magnetic resonance (NMR) charac ­terizations were used to quantify the ratios of Ti 3C 2, (OH)0.i2« F0.8 and O0.54 [8]. Meanwhile, extensive works were conducted to un- derstand the role of surface functional groups on Li ion storage. By using density functional theory (DFT) calculation, the surface func- tionalization of -F and -OH blocks Li transport and decreases Li storage capacity from 320 of bare Ti 3C 2 to 130 mAh/g for Ti3C 2F 2, and 67 mA h/g for Ti 3C 2 (OH)2 [9], and a lower Li diffusion barrier was confirmed for bare MXene [10]. However, the -0 terminations were found to enable significantly improving the electrochemical performanee due to a redox storage mechanism [11 ]. To alleviatehttps:///10.l0l6/j.jechem.20l8.05.0172095-4956/© 2018 Science Press and Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences. Published by Elsevier B.V. and Science Press. All rightsreserved.M.Lu et al./Journal of Energy Chemistry31(2019)148-153149this deficiency,removing-F and converting-OH to-0were con­ducted for achieving a high electrochemical performance.In this work,to understand the mechanism between MXene surface chemical groups and electrochemical performences,a hy-drogen annealing approach was used to remove the-F termination on the surface of Ti3C2.The results are benefitial.Thus,a universal strategy is proposed to interfacially enhance the ion transport for 2D and other layered materials.2.Experimental2.1.Synthesis of low-F Ti3C2MXeneMultilayer Ti3C2was synthesized by etching MAX parent phases of Ti3AlC2(400mesh,purchased from11Technology Co.,Ltd.)in HF,as described elsewhere[12].1g of Ti3AIC2powder was im­mersed slowly in a high density polyethylene beaker containing 20mL of an aqueous concentrated HF(40%)at room temperature (RT).Then,the suspension was stirred at a speed of700rpm for 24h at RT.Afterward the concentrated HF solution was decanted and the solid was filtered.Fresh deionized(DI)water was then added to wash the obtained powder several times until the pH value of liquid was larger than 5.The washed powder was vac­uum filtered to facilitate drying at RT.The as-prepared Ti3C2pow­der was then armealed at500°C under hydrogen atmosphere for 30min.To delaminate the MXenes,100mg of the annealed Ti3C2was added into100mL of deoxidated DI water.The mixture solution was further sonicated(the power of the sonifier is above1200W) in a cold bath for5h under Ar,and then the centrifugation was re­peated at3000rpm for5min.The supernatant was filtered under vacuum in order to fabricate the flexbile,free-standing Ti3C2films (a Ti3C2film of12mg was obtained by using〜24mL supernatant). The prefabricated films were stored in an argon-filled glove box.2.2.Structural characterizationThe morphologies and structures of MXene sheets were exam­ined by using scanning electron microscope(SEM,Hitachi SU8010) and transmission electron microscope(TEM)(FEl Tecnai G2Spirit). Powder X-ray diffraction(XRD)data were recorded using a Rigaku D/Max-2500diffractometer w让h graphite monochromatized Cu Ka radiation(入=0.15406nm)at40kV and200mA.Chemical compo­sition and oxidation state of the samples were further analyzed using high-resolution XPS with monochromated Al Ka radiation (hv=1486.6eV).Bin d ing energies were referenced to the C Is peak of(C-C,C-H)bond,which was set at284.8eV.X-ray absorp­tion spectra(XAS)of Ti K edge(4.966keV)were collected in the range of4.766-5.766keV at Shanghai Synchrotron Facility(SSRF) on beamline BL14W[13].The SSRF storage ring was operated at an electron energy of3.5GeV w让h beam current of250MA.A Si (111)double-crystal monochromator was applied.All the data were collected with transmission mode at ambient temperature.X-ray absorption near-edge structure(XANES)and extended X-ray ab­sorption fine structure(EXAFS)were analyzed by ATHENA software package|14].2.3.Electrochemical characterizationThe working electrodes were the prefabricated Ti3C2film,and cells were assembled into coin cells(CR2032)in which Li sheets were used as the counter and referenee electrodes.The elec­trolyte was1M LiPFg solution in ethylene carbonate(EC)/dimethy catbonate(DEC)/ethyl methy carbonate(EMC)(1:1:1,v:v:v).In addition,conducting resin was employed for enhancing con t act between Ti3C2flexible film and electrode shell.The cells were assembled in an argon-filled glove box with the concentrations of moisture and oxygen below0.5ppm.Cyclic voltammetry(CV) was performed on CHI660E Electrochemical Workstation(Shang-hai Chenhua,China)from0.05to3V versus Li+/Li at0.5mV/s. Galvanosratic charge/discharge(GCD)measurements were carried out using a LAND battery tester(Wuhan LAN HE,China).Electro­chemical impedance spectroscopy(EIS)was performed at open cir­cuit potential with a10mV amplitude(10mHz-200kHz)via VMP3 Electrochemical Workstation(bio-logic,France).3.Results and discussionAs shown in Scheme1,Ti3C2was prepared by etching MAX parent phases of Ti3AlC2(400mesh)in HF.The multilayer Ti3C2 powder was annealed under hydrogen to generate the low—F ter-mination Ti3C2.Ti3C2MXene sheet aqueous suspension can be ob­tained by sonication-assisted exfoliation.After a simple vacuum fil­tration process,the low-F terminated Ti3C2,flexible free-standing film electrode can be obtained.Fig.1shows the XRD patterns of Ti3AlC2,Ti3C2and the low-F termination pared with the patterns of MAX which are consistent with the JCPDS52-0875,the disappearance of the most intense diffraction peak at〜39。

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