[論文レビュー] One-pot green process to synthesize controllable surface terminations MXenes in molten salts

Miao Shen, Weiyan Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2021

MXene and MAX Phase Materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、溶融塩（MS-E-エッチング）を用いたワンポット・グリーン電気化学的エッチング法を提案し、制御可能な表面修飾を有するフルオリンフリーで金属フリーなTi3C2Tx MXeneを合成した。アノードエッチングとカソード還元を空間的に分離することで、Cl⁻を直接O⁻およびS⁻修飾に変換することができ、1 A/gで225 F/gの静電容量を示すMXeneが得られた。また、持続可能性を考慮した塩の再利用も可能である。

ABSTRACT

Surface terminations for 2D MXene have dramatic impacts on physicochemical properties. The commonly etching methods usually introduce -F surface termination or metallic into MXene. Here, we present a new molten salt assisted electrochemical etching (MS-E-etching) method to synthesize fluorine-free Ti3C2Tx without metallics. Due to performing electrons as reaction agent, the cathode reduction and anode etching can be spatially isolated, thus no metallic presents in Ti3C2Tx product. Moreover, the Tx surface terminations can be directly modified from -Cl to -O and/or -S in one pot process. The obtained -O terminated MXenes exhibited capacitance of 225 and 205 F/g at 1 and 10 A/g, confirming high reversibility of redox reactions. This one-pot process greatly shortens the modification procedures as well as enriches the surface functional terminations. More importantly, the recovered salt after synthesis can be recycled and reused, which brands it as a green sustainable method.

研究の動機と目的

• 制御可能な表面修飾を有する持続可能なワンポット法によるMXene合成の開発。
• 従来のエッチング法で一般的に見られる金属不純物およびフルオリン系修飾の排除。
• 1つの反応器内でCl⁻からOおよび／またはSへの直接的・イン・シータでの表面修飾変更の実現。
• 表面化学の最適化によるMXeneの電気化学的性能の向上。
• 溶融塩媒体の再利用可能性を示し、環境的および経済的持続可能性を裏付ける。

提案手法

• 溶融塩電解質（例：KCl–NaCl）を電気化学的エッチングの溶媒およびイオン移動媒体として用いる。
• アノード（Ti3AlC2のエッチング）とカソード（酸素または硫黄種の還元）を空間的に分離し、金属不純物の発生を防止する。
• OおよびS含有種（例：H2O、SO4²⁻）を溶融塩に導入し、表面修飾のイン・シータ変更を可能にする。
• イオン拡散および反応速度論を促進するため、高温（例：約700 °C）で電気化学的エッチングを実施する。
• 電圧、反応時間、塩の組成を制御することで、Cl⁻からO⁻およびS⁻への表面修飾のチューニングを実現する。
• 合成後、溶融塩を回収・再利用し、廃棄物の低減とグリーンな特徴を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワンポットでグリーンなプロセスが、フルオリンフリーで金属フリーなMXeneを、制御可能な表面修飾で合成可能か？
• RQ2 1つの反応ステップでCl⁻からOおよびSへの表面修飾を直接変更可能か？
• RQ3 本手法で合成されたO修飾MXeneの電気化学的性能はいかほどか？
• RQ4 溶融塩媒体は機能を損なわずに効果的に再利用可能か？
• RQ5 アノードエッチングとカソード還元を空間的に分離することで、最終的なMXene製品に金属不純物が生じるのをどれほど効果的に防止できるか？

主な発見

• MS-E-エッチング法により、フルオリンフリーで金属フリーなTi3C2Tx MXeneが、表面修飾を制御可能に合成された。
• 1つのポット内でCl⁻からOおよび／またはSへの表面修飾が直接変換され、複数工程の後処理が不要となった。
• O修飾MXeneは1 A/gで225 F/g、10 A/gで205 F/gの比静電容量を示し、優れたレート能力を示した。
• 溶融塩電解質は回収され再利用可能であり、プロセスの持続可能性およびグリーン特性を裏付けた。
• アノードエッチングとカソード還元の空間的分離により、最終的なMXene製品への金属不純物の混入が効果的に防止された。
• 従来の複数工程にわたるエッチングおよび表面修飾プロセスと比較して、合成手順が顕著に短縮された。