二維層狀金屬碳化物MXene高電容根源揭秘

2020-11-30 中國教育裝備採購網

　　中國科學院金屬研究所高性能陶瓷研究部王曉輝課題組在拉曼光譜識別二維碳化物MXene表面官能團方面有新的進展。通過拉曼光譜的原位測量結合計算模擬(castep模塊)實現拉曼峰的識別，闡明了MXene高電容產生的根源，研究結果發表在ACS Nano上。(ACS Nano 2016, 10, 11344−11350)

　　第一原理計算結合原位電化學拉曼光譜揭示MXene贗電容產生根源

　　近年來，隨著對石墨烯的不斷研究和認識，人們逐步意識到二維材料在基礎和應用研究中的巨大潛力，這也打開了發掘更多二維材料的大門。MXene是一種新型過渡金屬碳/氮化物二維晶體，具有和石墨烯類似的結構，化學式為Mn+1XnTx，其中 n = 1、2、3，M為早期過渡金屬元素，X 為碳或氮元素，T 為表面攜帶的-OH、-O或-F等官能團。 這一類材料可以通過氫氟酸剝離層狀陶瓷材料 MAX 相獲得，具有優異的力學、 電子、 磁學等性能，特別在電化學超級電容器應用方面尤為突出。

　　諸多文獻報導了MXene在以H2SO4 水溶液為電解液製備的超級電容器中的優異性能，卻都未曾明確地闡明為什麼選擇H2SO4 作為電解液。最近，中國科學院金屬研究所的王曉輝研究員領導的研究團隊通過原位電化學拉曼表徵方法揭示了以Ti3C2Tx 為代表的MXene在H2SO4電解液中具有超高電容量的本質所在。該團隊通過前期的晶格動力學研究(CASTEP模塊)，論證了不同官能團對MXene穩定性和鍵合特性的影響，發現Ti3C2Tx的拉曼光譜嚴重依賴官能團的種類，由此可以根據拉曼光譜識別官能團種類(Phys. Chem. Chem. Phys.17, 9997−10003, 2015)。在此基礎上，結合拉曼光譜快捷、無損、非接觸等優點，研究了Ti3C2Tx MXene在不同的電解液(H2SO4、(NH4)2SO4、MgSO4)中充放電過程的拉曼光譜變化，發現其在H2SO4電解液中的變化很明顯，而在其餘兩種電解液中幾乎沒有變化。通過對拉曼峰位的比對，發現在H2SO4中MXene 實現了由Ti3C2(OH)2向Ti3C2O(OH)的轉變，這種轉變正是由於氫離子的存在所導致的，這也說明在H2SO4中Ti3C2Tx是以發生氧化還原反應的這種贗電容行為來存儲電荷，從而獲得比較高的電容量。這也為MXene在未來的電容器研究方面開闢了新的研究思路。這一研究成果發表於《ACS nano》上(ACS Nano, 10, 11344−11350, 2016)。

　　

　　

　　

　　此外，作為電極材料，良好的導電性也是實現高性能的前提條件。通過第一原理方法計算多層MXene的堆垛體的能帶結構和費米面，預測了其電子電導的各向異性，並通過原位測量單顆粒MXene獲得本徵導電屬性，證實了導電的各向異性(Sci.Rep.5, 16329,2015)。這種導電各向異性的手風琴結構還可能會在傳感器領域有潛在的應用。

　　中國科學院金屬研究所高性能陶瓷研究部王曉輝課題組長期致力於層狀納米陶瓷材料和電化學儲能材料。研究領域涉及三元層狀MAX相可加工導電陶瓷、二維MXene和鋰離子電池正極材料LiFePO4。課題組近期代表性工作還有: Nano Letters (16, 795−799, 2016), Phys. Chem. Chem. Phys. (18, 20256−20260, 2016), ChemNanoMat (3, 292−297, 2017)。

　　課題組依託於瀋陽材料科學國家(聯合)實驗室，歡迎具有化學、物理、材料等知識背景的本科生、研究生、博士後加入。課題組主頁：http://www.synl.ac.cn/org/high/zi/field.htm

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