[論文レビュー] A general Lewis acidic etching route for preparing MXenes with enhanced electrochemical performance in non-aqueous electrolyte

Youbing Li, Hui Shao+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2019

MXene and MAX Phase MaterialsMaterials Science参考文献 19被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、塩化物溶融塩を用いた一般化されたルシャール酸性エッチング法を提案し、Alを含まないMAX相（A位元素としてSi、Zn、Gaを有する）からMXeneを合成することに成功した。この手法により、非水性電解質において優れた電気化学的性能を示すTi3C2 MXeneが得られ、1M LiPF6炭酸エステル電解質において738 C g⁻¹（205 mAh g⁻¹）の高いLi⁺貯蔵容量を達成した。

ABSTRACT

Two-dimensional carbides and nitrides of transition metals, known as MXenes, are a fast-growing family of 2D materials that draw attention as energy storage materials. So far, MXenes are mainly prepared from Al-containing MAX phases (where A = Al) by Al dissolution in F-containing solution, but most other MAX phases have not been explored. Here, a redox-controlled A-site-etching of MAX phases in Lewis acidic melts is proposed and validated by the synthesis of various MXenes from unconventional MAX phase precursors with A elements Si, Zn, and Ga. A negative electrode of Ti3C2 MXene material obtained through this molten salt synthesis method delivers a Li+ storage capacity up to 738 C g-1 (205 mAh g-1) with high-rate performance and pseudocapacitive-like electrochemical signature in 1M LiPF6 carbonate-based electrolyte. MXene prepared from this molten salt synthesis route offer opportunities as high-rate negative electrode material for electrochemical energy storage applications.

研究の動機と目的

• Al含有MAX相に限らないMXeneの一般化された合成経路の開発。
• Si、Zn、GaなどのA位元素を有するMAX相からのMXene合成の実現。
• エネルギー貯蔵応用を想定した非水性電解質中におけるMXeneの電気化学的性能の向上。
• 炭酸エステルベース電解質中における高レートリチウムイオン貯蔵能力の実証。
• ルシャール酸性溶融塩を用いたレドックス制御エッチング機構の確立。

提案手法

• 強いルシャール酸性を示す溶融塩系を用い、MAX相からA位元素を選択的にエッチング。
• レドックス制御を導入し、エッチングプロセスを管理し、望ましくない副反応を防止。
• 従来のHFベースエッチングでは得られなかった、Si、Zn、GaをA位元素とするMAX相からMXeneの合成。
• XRD、XPS、SEM、TEMを用いた分析により、相純度および2次元形状の確認。
• 1M LiPF6 EC/DEC炭酸エステル電解質中での電気化学的試験により、Li⁺貯蔵性能の評価。
• サイクルボルタメトリーおよびガルバノスタティック充放電測定による電荷貯蔵機構の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Alを含まないMAX相からMXeneをアクセス可能な一般化されたルシャール酸性エッチング経路を開発可能か？
• RQ2 溶融塩エッチングで合成されたMXeneの非水性電解質中での電気化学的性能はいかほどか？
• RQ3 溶融塩中でのレドックス制御エッチング機構は、従来のHFベースエッチングと比較して選択性および収率においてどのように異なるか？
• RQ4 得られたMXeneは、炭酸エステルベース電解質中でどれほど擬似キャパシタ的挙動を示すか？
• RQ5 Si、Zn、Gaを基にしたMAX相から得られるMXeneは、高レートリチウムイオン貯蔵容量を実現可能か？

主な発見

• 溶融塩エッチング法により、A位元素としてSi、Zn、Gaを有するMAX相からMXeneが効果的に合成され、Al含有前駆体に限らないMXeneのアクセス範囲が拡大された。
• 合成されたTi3C2 MXeneは、1M LiPF6炭酸エステル電解質中で738 C g⁻¹（205 mAh g⁻¹）の比容量を達成し、高いエネルギー貯蔵能力を示した。
• 近似的に長方形のサイクルボルタメトリーおよび容量の電位依存性の線形性から、擬似キャパシタ的電気化学的挙動が示された。
• 高電流密度下でも顕著な容量を維持したことで、高速なイオンおよび電子移動が確認された。
• レドックス制御によりAサイトの選択的エッチングが可能となり、MXene層への損傷を最小限に抑え、構造的完全性を保持した。
• 多数の非伝統的MAX相前駆体からの成功した合成から、本手法の一般化可能性が裏付けられた。