新型二维纳米材料MXene的制备及在储能领域的应用进展
发布时间：2021-07-18 20:17
二维过渡金属碳（氮）化物（MXene）作为一类新型二维纳米材料,自2011年发现以来,由于其优异的物理化学性能得到了广泛研究。MXene除具有传统二维材料的优异性能外,其高的导电性、良好的润滑性及电磁性等特殊性能,已被广泛地应用于能量存储、催化、润滑、电磁屏蔽、传感器、水净化等领域,并取得了一定的效果和进展。本文综述了近年来国内外关于MXene材料的最新研究现状,归纳总结了MXene的结构、性能和制备方法,以及在锂离子电池、超级电容器等领域的相关成果,指出了目前研究存在的短板,并展望了未来的研究方向。
【文章来源】：材料工程. 2020,48(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
Ti3C2的电化学性能[50]
MXene一般是通过选择性蚀刻掉MAX相中的A原子来制备。MAX相是由一族70多种层状的三元金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成,通用的分子式为Mn+1AXn(n=1,2,3),M代表过渡金属(M=Ti,Sr,V,Cr,Ta,Nb,Zr,Mo,Hf),A代表Ⅲ或者Ⅳ主族元素(主要有Al, Ga, In, Ti, Si, Ge, Sn, Pb),而X代表碳(C)或氮(N)元素[6]。在MAX相中,M原子层和X原子层交错排布,以共价键或离子键键合,A原子层又穿插在M—X构成的层与层之间,因此,由于原子之间的强作用力,使得外部机械力很难使MAX相分层。鉴于此,2011年美国德雷赛尔大学的Gogotsi和Barsoum教授课题组通过巧妙的化学腐蚀法(氢氟酸或者LiF和HCl的混合溶液为腐蚀剂)把Ti3AlC2,Ti2AlC,Ta4AlC3,(Ti0.5Nb0.5)2AlC和Ti3AlCN等MAX陶瓷相材料(Mn+1AXn)中的Al元素溶解,而获得了表面含有丰富的活性基团(例如,F, O和OH基团)的Ti3C2,Ti2C,Ta4C3,(Ti0.5Nb0.5)2C,Ti3CN和Mo2C等二维纳米材料[4](通用式为Mn+1XnTx,其中X为C或者N原子,T为表面活性封端基团),由于与石墨烯结构相似,因此,被形象地命名为MXene(如图1所示)。截至目前,已有超过30种不同的MXene被合成出来[7],同时,经计算,还有数十种不同的MXene能够稳定存在,如Zr2C,Ti3N2,V4C3等。而对于三元氮化物MXene,由于M—A键要比三元碳化物中的M—A键更加稳定,因此,目前已经合成出来的氮化物MXene只有Ti2N 和Ti4N3[8-9]。而对于MXene中的M部分,除了含有一种元素外,研究发现,可以同时含有两种不同元素,其主要包括固溶体形式和有序相形式,例如(TiV)2C和(CrV)3C2固溶体,以及(Cr2V)C2和(V2Ti2)C3有序相结构的MXene材料。由于二维MXene材料在能源、环境、医疗、国防(如电磁屏蔽等)等领域展现出了巨大应用前景,因此,如果能够对其结构、性能、制备方法和相关领域中的应用,以及近期的发展进行一个系统的总结和展望,将会有助于相关学者和学生对MXene材料的深入理解,从而为有效推动相关领域的基础研究和产业化的进一步发展提供参考。该综述将从MXene的晶体结构、性能、制备方法和在能源存储等领域的研究进行总结,并对现阶段主要存在的问题和未来的研究方向进行了简要的论述。
与MAX相(Mn+1AXn)一样,MXene具有六方晶体结构,其中M原子属于六方紧密堆积,而X原子则填充在八面体间隙,其通式Mn+1Xn与MAX相保持一致。由于无表面基团的MXene具有极高的化学活性,因此,在溶液刻蚀法制备MXene的过程中很容易与溶液发生反应,形成具有功能键的MXene(Mn+1XnTx,其中,Tx主要代表—F,—OH,—O官能团)[4,10]。Tang等[11]对Ti3C2和Ti3C2X2(X=F,OH)的微观结构进行了模型构建,如图2所示。研究表明,对于无功能基团的Ti3C2,其原子结构主要是按照Ti(1)-C-Ti(2)-C-Ti(1)的顺序呈层状排布,而具有功能基团的Ti3C2X2(X=F,OH),由于功能基团X的分布,其原子的结构分布主要分为3种类型:(1)X功能基团分布于Ti3C2片层的两边,X基团在Ti(2)原子正上方,同时紧邻3个C原子;(2)在Ti3C2的两边,X功能基团在C原子正上方;(3)这一类可以视为前两种的结合,一边的X基团正对Ti(2)原子,另一边X基团正对C原子。此外,X基团(包括O等)在Ti3C2的两边是随机分布的,并没有特定的顺序,且基团之间没有相关性[12-14]。Hope等[14]通过1H—19F异质相关谱(HETCOR谱)发现,Ti3C2片层之间并不是只存在单一的表面基团,而是同时存在—OH和—F基团。他们还认为,—F和—OH之间的联系,证明了层间结构水的存在,并且这些结构水是很难移动的,同时, 2D 1H NMR谱表明Ti3C2片层之间不存在两个相邻的—OH,而且—OH的数目要远少于—F和—O。Wang等[12]用环形暗场像(HAADF)直观地观测到了Ti3C2X的Ti原子排列(如图3所示)。研究发现, Ti3C2X层间的距离为0.98 nm,结果与XRD所测一致。但是,暗场像却不能观测到C,F,O等原子,于是他们又使用环形明场像(ABF),成功发现了这些原子的存在,以及与Ti原子的相对位置,这与前期的研究相一致[4,15-16]。
本文编号：3290290
【文章来源】：材料工程. 2020,48(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
Ti3C2的电化学性能[50]
MXene一般是通过选择性蚀刻掉MAX相中的A原子来制备。MAX相是由一族70多种层状的三元金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成,通用的分子式为Mn+1AXn(n=1,2,3),M代表过渡金属(M=Ti,Sr,V,Cr,Ta,Nb,Zr,Mo,Hf),A代表Ⅲ或者Ⅳ主族元素(主要有Al, Ga, In, Ti, Si, Ge, Sn, Pb),而X代表碳(C)或氮(N)元素[6]。在MAX相中,M原子层和X原子层交错排布,以共价键或离子键键合,A原子层又穿插在M—X构成的层与层之间,因此,由于原子之间的强作用力,使得外部机械力很难使MAX相分层。鉴于此,2011年美国德雷赛尔大学的Gogotsi和Barsoum教授课题组通过巧妙的化学腐蚀法(氢氟酸或者LiF和HCl的混合溶液为腐蚀剂)把Ti3AlC2,Ti2AlC,Ta4AlC3,(Ti0.5Nb0.5)2AlC和Ti3AlCN等MAX陶瓷相材料(Mn+1AXn)中的Al元素溶解,而获得了表面含有丰富的活性基团(例如,F, O和OH基团)的Ti3C2,Ti2C,Ta4C3,(Ti0.5Nb0.5)2C,Ti3CN和Mo2C等二维纳米材料[4](通用式为Mn+1XnTx,其中X为C或者N原子,T为表面活性封端基团),由于与石墨烯结构相似,因此,被形象地命名为MXene(如图1所示)。截至目前,已有超过30种不同的MXene被合成出来[7],同时,经计算,还有数十种不同的MXene能够稳定存在,如Zr2C,Ti3N2,V4C3等。而对于三元氮化物MXene,由于M—A键要比三元碳化物中的M—A键更加稳定,因此,目前已经合成出来的氮化物MXene只有Ti2N 和Ti4N3[8-9]。而对于MXene中的M部分,除了含有一种元素外,研究发现,可以同时含有两种不同元素,其主要包括固溶体形式和有序相形式,例如(TiV)2C和(CrV)3C2固溶体,以及(Cr2V)C2和(V2Ti2)C3有序相结构的MXene材料。由于二维MXene材料在能源、环境、医疗、国防(如电磁屏蔽等)等领域展现出了巨大应用前景,因此,如果能够对其结构、性能、制备方法和相关领域中的应用,以及近期的发展进行一个系统的总结和展望,将会有助于相关学者和学生对MXene材料的深入理解,从而为有效推动相关领域的基础研究和产业化的进一步发展提供参考。该综述将从MXene的晶体结构、性能、制备方法和在能源存储等领域的研究进行总结,并对现阶段主要存在的问题和未来的研究方向进行了简要的论述。
与MAX相(Mn+1AXn)一样,MXene具有六方晶体结构,其中M原子属于六方紧密堆积,而X原子则填充在八面体间隙,其通式Mn+1Xn与MAX相保持一致。由于无表面基团的MXene具有极高的化学活性,因此,在溶液刻蚀法制备MXene的过程中很容易与溶液发生反应,形成具有功能键的MXene(Mn+1XnTx,其中,Tx主要代表—F,—OH,—O官能团)[4,10]。Tang等[11]对Ti3C2和Ti3C2X2(X=F,OH)的微观结构进行了模型构建,如图2所示。研究表明,对于无功能基团的Ti3C2,其原子结构主要是按照Ti(1)-C-Ti(2)-C-Ti(1)的顺序呈层状排布,而具有功能基团的Ti3C2X2(X=F,OH),由于功能基团X的分布,其原子的结构分布主要分为3种类型:(1)X功能基团分布于Ti3C2片层的两边,X基团在Ti(2)原子正上方,同时紧邻3个C原子;(2)在Ti3C2的两边,X功能基团在C原子正上方;(3)这一类可以视为前两种的结合,一边的X基团正对Ti(2)原子,另一边X基团正对C原子。此外,X基团(包括O等)在Ti3C2的两边是随机分布的,并没有特定的顺序,且基团之间没有相关性[12-14]。Hope等[14]通过1H—19F异质相关谱(HETCOR谱)发现,Ti3C2片层之间并不是只存在单一的表面基团,而是同时存在—OH和—F基团。他们还认为,—F和—OH之间的联系,证明了层间结构水的存在,并且这些结构水是很难移动的,同时, 2D 1H NMR谱表明Ti3C2片层之间不存在两个相邻的—OH,而且—OH的数目要远少于—F和—O。Wang等[12]用环形暗场像(HAADF)直观地观测到了Ti3C2X的Ti原子排列(如图3所示)。研究发现, Ti3C2X层间的距离为0.98 nm,结果与XRD所测一致。但是,暗场像却不能观测到C,F,O等原子,于是他们又使用环形明场像(ABF),成功发现了这些原子的存在,以及与Ti原子的相对位置,这与前期的研究相一致[4,15-16]。
本文编号：3290290
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3290290.html
