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MXene辨识度在何处,数字来说话!

文章来源:北科新材 浏览次数:44时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

MAX相、MXenes简介

MAX相的成分通式为Mn+1AXn,其中M为过渡金属元素,具体见图1浅绿色部分,A主要为第三或第四主族元素,具体见图1红色部分,X为碳、氮或两者组合,n可取数值为1,2,3,4,分别称为211型,312型,413型,514型MAX相,在遵循化学计量比的前提下,M元素可以相互组合,即双金属或者多金属,Ti2AlC和(V0.5Cr0.5)2AlC都为211型,Ti3AlC2和Ti3SiC2为312型,Ti4SiC3和Ti4AlN3为413型。当 n=1 时,即 211 型,由一个正八面体组成,当 n=2 时,即 312 型,由两个正八面体组成,当 n=3 时,即 413 型,由三个正八面体组成,如图2所示,即为几种 MAX相和对应MXenes的结构示意图。

图1 已报道的MAX中的三种元素,浅绿色为M,红色为A,蓝色为X.

图2 MAX相和对应MXenes的结构示意图

现己见报道的MAX已超过150种,通过选择性除去其中的A元素(常用HF酸刻蚀),便可以得到一类新型二维材料MXenes,合成的MXenes目前为30多种,由于理论上MAX种类繁多,这为MXenes的合成提供了大量的前驱体。[1]


MXenes优点

①MXenes具有优异的导电性(电导率10^5 S/m)、电导率达到部分金属级别,具体见表1。

表1 MXenes与其它材料电导率比较

材料

电导率(S/m

备注

6.3X10^7

导电性最好的金属

5.9X10^7

常用导线

3.7X10^7

常用导线

2.2X10^7

1.3X10^7

8.7X10^6

2.3X10^6

1.2X10^6

10^6

9.5X10^5

MXenes在同一数量级,电导率达金属级别


7.3X10^5

MXenes

2.4X10^5

单层/少层MXenes抽滤成薄膜测试

石墨

7.7X10^4~1.2X10^5

高质量MXenes导电性略优于石墨

石墨烯

10^8


2.5X10^-4

半导体

最近,有文献刷新了MXene电导率,达到了15100S/cm,比石墨高了一个数量级,但逊色于石墨烯。


②良好的亲水性,(碳纳米管和石墨烯具有稳定的炭表面,亲水性能十分有限),这一优点,为MXenes与其它材料的复合提供了便利。[2]


③MXenes机械性能佳(较好的拉伸强度和柔性),柔性易成膜而直接用作电极,用作电池极片时,避免了粘结剂和导电剂的添加。[3]


图3 抽滤可得的MXenes薄膜实物图


④层间距较大并且柔性可调,刻蚀超声得到的MXenes层间距在1nm左右(基于312型MAX相刻蚀),层与层之间是范德华力,层间距柔性可调而不破坏其层状结构(层间距可柱撑到2.5nm),鉴于这一优点,通过复合,掺杂制备MXenes基复合材料,通过在MXene层间引入柱撑剂,由于柱撑效应(利用离子撞击或者与层间相关化学键的相互作用,或者层间填充物,有效撑开MXenes层间距,使得MXenes层间具有更大储存载荷的空间),MXenes层间距会增大,可为载荷离子提供更大的储存和运输空间,促进电解液润湿。由于层间的限域作用,可以避免MXene层间填充的活性物质材料的破裂粉化,除了自身提供容量之外,其充放电过程中产生的体积膨胀,能够进一步撑大MXene的层间距,使更多的离子(Li+,Na+等)嵌入MXene层间,赋予MXene更高容量。[4-5] 此外,MXenes层间距随n值的增大而增大,如413型MAX相刻蚀得到的MXenes层间距为1.4nm。


⑤剥离出的MXenes表面存在O、OH、F等官能团,呈电负性,如Ti3AlC2刻蚀除去Al元素后应为Ti3C2,但由于表面吸附了O、OH、F这3种主要官能团,常写作Ti3C2Tx(Tx表示表面吸附的官能团)。MXenes表面的官能团具有吸附多硫化物的功能(碳材料对硫的吸附,由于是非极性,通常为物理吸附,而MXenes具有物理化学双重吸附),从而抑制锂硫电池中多硫化物的穿梭效应,提高锂硫电池的电化学性能。当MXenes用作锂硫电池正极硫载体、隔膜夹层、以及用于改善锂金属负极时,都显著提升了电池性能。[6]


表2 常见材料层间距

材料

层间距(nm

石墨

0.33

黑磷

0.53

二硫化钼

0.65

MXenes

(312MAX刻蚀)

1


MXenes缺点

① 剥离后的MXenes片层容易堆叠和团聚,使得Mxene片层致密化,制备单纯少层MXenes粉末比较困难。MXenes片层团聚、致密化后,使得电解液的浸润困难,无法发挥出其电化学性能。鉴于这一缺点,常在制备得到少层MXenes的水溶液时便开始MXenes的目标应用(MXenes具有良好的亲水性)。[7]


②单独的MXenes用作电极负极材料时,首次库伦效率低(58%),比容量低(用作锂电负极,理论容量320mAh/g,低于石墨的372 mAh/g),充放电过程没有明显的平台,被广泛的当作电容材料进行研究,通常需要掺杂,复合来改善。[8]


MXenes储能主要应用

①利用层状结构,发挥导电骨架作用

②形貌设计(中空球,花状,多孔)

③复合柔性自支撑薄膜,省却粘结剂(一般直接抽滤可得)

④与高容量材料的复合(MXenes发挥导电,抑制其他活性物质的体积膨胀作用)


MXenes辨识度

①层间距大且柔性可调

②表面化学丰富(即得到的MXenes表面含有官能团,使得MXenes具有亲水性,表面电负性等特点)。


导电性虽好,然导电性比不过石墨烯,甚至有部分MXenes是半导体性质的。虽说比表面积大,但也就是几十到几百平方米每克,比不过MOF材料(几千平方米每克)。导电性好和比表面积大属于MXenes特点,但算不上MXenes的独特点。


[1]Alhabeb M , Maleski K , Anasori B , et al. Guidelines for Synthesis and Processing of 2D Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene)[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29, 7633−7644

[2] Ling Z , Ren C E , Zhao M Q , et al. Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(47):16676-16681.

[3] Zhao M Q , Ren C E , Ling Z , et al. Flexible MXene/Carbon Nanotube Composite Paper with High Volumetric Capacitance[J]. Advanced Materials, 2015, 27(2):339-345.

[4] Luo J, Zhang W, Yuan H, et al. Pillared Structure Design of MXene with Ultra-Large Interlayer Spacing for High Performance Lithium-Ion Capacitors[J]. Acs Nano, 2017, 11: 2459-2469.

[5] Luo J , Fang C , Jin C , et al. Tunable Pseudocapacitance Storage of MXene by Cation Pillaring for High-Performance Sodium Ion Capacitors[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 7794-7806.

[6] Tang X , Guo X , Wu W , et al. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) as High-Performance Electrode Materials for Lithium-Based Batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2018.

[7] Hollow MXene Spheres and 3D Macroporous MXene Frameworks for Na‐Ion Storage[J]. Advanced Materials, 2017, 29(37).

[8] Pang J , Mendes R G , Bachmatiuk A , et al. Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems[J]. Chemical Society Reviews, 2018.

信息来源: MXene笔记


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