[論文レビュー] Direct synthesis and chemical vapor deposition of 2D carbide and nitride MXenes

Di Wang, Chenkun Zhou+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2022

MXene and MAX Phase Materials被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、炭素化物や窒素を含むグラファイト、メタン、窒素と金属および金属ハライドを反応させることにより、MAX相前駆体を経由せずに2次元MXeneを直接合成する手法を提案する。この手法によりスケーラブルで原子経済的（atom-economical）な生産が可能となり、化学蒸着法（CVD）を用いたMXeneカーペットや、細胞膜形成に類似した特異なサーパルライト状ナノ構造の成長が可能となる。さらに、Liイオンのインターカレーション容量が顕著に高い。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) transition metal carbides and nitrides (MXenes) are a large family of materials actively studied for various applications, especially in the field of energy storage. To date, MXenes are commonly synthesized by etching the layered ternary compounds, MAX phases. Here we demonstrate a direct synthetic route for scalable and atom-economic synthesis of MXenes, including phases that have not been synthesized from MAX phases, by the reactions of metals and metal halides with graphite, methane or nitrogen. These directly synthesized MXenes showed excellent energy storage capacity for Li-ion intercalation. The direct synthesis enables chemical vapor deposition (CVD) growth of MXene carpets and complex spherulite-like morphologies. The latter form in a process resembling the evolution of cellular membranes during endocytosis.

研究の動機と目的

• MAX相前駆体を必要としない、直接的でスケーラブルな2次元MXene合成経路の開発。
• 従来のMAX相のエッチングでは得られないMXene相の形成を可能とすること。
• 化学蒸着法（CVD）を用いたMXene薄膜および複雑なナノ構造の成長の実証。
• 直接合成されたMXeneを用いたLiイオンインターカレーション系における高効率エネルギー貯蔵性能の達成。
• 特にサーパルライト状構造を含む、MXene形成過程における新たな形態的進化経路の解明。

提案手法

• 高温下で遷移金属源（例：Mo、Ti、Nb）および金属ハライドをグラファイト、メタン、または窒素と反応させることによる直接反応。
• 炭化物または窒化物のイン・サイト形成を介して2次元MXene相を形成するための熱分解および表面拡散プロセスの利用。
• 基板上でのMXene薄膜および複雑なナノ構造の成長を目的とした化学蒸着法（CVD）装置の構築。
• 中間段階のMAX相合成を回避するための制御された気相反応によるMXene相のイン・サイト形成。
• X線回折、電子顕微鏡観察、電気化学的試験を用いた相構造、形態、性能の確認。
• 生物学的細胞膜の内嚮作用（endocytosis）に類似したプロセスを経て形成されるサーパルライト状構造の同定を目的とした形態的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAX相を事前に合成する必要がなく、元素または単純な化合物前駆体からMXeneを直接合成可能か？
• RQ2 特に複雑な構造を形成する場合に、直接CVD成長によるMXene形成過程における形態的進化経路は何か？
• RQ3 直接合成経路により、従来のMAX相エッチングでは得られないMXene相を生成可能か？
• RQ4 従来のMXene合成法と比較して、直接合成経路の原子経済性およびスケーラビリティはどのように異なるか？
• RQ5 直接合成されたMXeneのLiイオンインターカレーション系における電気化学的性能はいかほどか？

主な発見

• 金属および金属ハライドとグラファイト、メタン、窒素との反応により、MAX相を経由せずに2次元MXeneの直接合成に成功。従来のMAX相から得られなかったMXene相にアクセス可能となった。
• 本手法は高い原子経済性とスケーラビリティを示し、従来のMAX相エッチング法に対する実用的代替手段としての可能性を示した。
• 化学蒸着法（CVD）を用いることで、MXeneカーペットおよび複雑なサーパルライト状ナノ構造の成長が可能となり、細胞膜形成に類似した挙動を示した。
• サーパルライト状形態は、生物学的内嚮作用に類似したプロセスを経て形成され、MXene成長過程における新規な自己集合機構を示唆した。
• 直接合成されたMXeneは優れたLiイオンインターカレーション容量を示し、エネルギー貯蔵応用への可能性を裏付けた。
• 本研究により、MXeneの相空間を拡張し、新たなナノ構造工学を可能とする、全く新しい合成経路が確立された。