Nature Materials: Lewis酸刻蚀提升MXene非水系电解液的电化学性能

【研究背景】

二维过渡金属碳/碳氮化物是2D材料家族冉冉升起的一颗新星。MXenes通过选择性刻蚀MAX相中A-原子层元素来制备，其中A代表13-16族的元素（Al, Si等），M则代表前过渡金属元素（TI, V, Nb等等）。通式为：M_n+1X_nT_x，T_x代表-F，-O和-OH等表面官能团。得益于其独特的2D层状结构，亲水性表面和金属电导率（＞6，000 S cm^-1），MXenes在很广泛的应用领域中都展示出了巨大潜力，尤其是电化学储能领域。随着2011年Ti3C2 MXene的首次报道，MXenes目前主要的刻蚀环境为含有氟离子的水溶液，如水系氢氟酸，LiF+HCl或者氟化氢铵等。截至目前，主要来自于含Al的MAX相前驱体的Al与氟基水系溶液的反应活性限制了MXenes的合成。虽然已经有报道，通过氧化剂辅助刻蚀Ti3SiC2 MAX相中的Si，但刻蚀机理仍旧是基于对腐蚀性HF溶液的使用。因此，MXene的合成的主要挑战主要集中于：1）寻找无毒的合成路线；2）制备更广泛的MAX相前驱体。

【成果简介】

最近，中科院宁波材料所黄庆教授，法国图卢兹大学Patrice Simon教授和四川大学林紫峰教授在国际顶级学术期刊Nature Materials上发表题目为： A general Lewis acidic etching route for preparing MXenes with enhanced electrochemical performance in non-aqueous electrolyte的研究论文。与传统的方法截然不同，论文提出了一种使用Lewis酸熔盐在非传统A元素的MAX相中对A进行选择性刻蚀制备MXenes的方法，并进行了相应的验证。这种方法刻蚀得到的Ti₃C₂MXene应用于储锂时，具有738 C g^-1（205 mAh g^-1）的可逆容量以及较高的库伦效率。

【图文导读】

图1.MS-Ti₃C₂T_x MXene的刻蚀示意图。

图2. MS-Ti₃C₂T_x MXene的微观形貌与结构表征。

图3. Lewis酸刻蚀方法扩展了MAX相家族。

图4. MS-Ti₃C₂T_x MXene电极在1 M LiPF₆电解液中的电化学性能测试。

【本文总结】

结合在非水系含Li⁺电解液中Li⁺ 嵌入和脱出的“类似镜子”的电化学储能机理与高容量，高充放电速率以及较低工作电压（0.2-2.2 V vs. Li⁺/Li），使通过这种非传统刻蚀方法而得到的MXenes用于电化学储能器件的负极时具有较大潜力（电池和锂离子电容器）。这种通用的Lewis酸刻蚀方法扩展了MAX相前驱体的范围，可以制备新型的MXenes材料，为调控MXenes的表面化学特性提供了前所未有的可能性。

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0657-0

信息来源： MXene Frontier

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