[논문 리뷰] A general Lewis acidic etching route for preparing MXenes with enhanced electrochemical performance in non-aqueous electrolyte

Youbing Li, Hui Shao외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 29.

MXene and MAX Phase MaterialsMaterials Science참고 문헌 19인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 비전통적 MAX 상(산성 원소가 Si, Zn, Ga인 경우)으로부터 MXene를 합성하기 위해 용융염을 사용하는 일반적인 루이스 산성 에칭 방법을 제안한다. 이 방법을 통해 수용성 전해질이 아닌 조건에서도 뛰어난 전기화학적 성능을 보이는 Ti3C2 MXene를 제조할 수 있다. 이 방법은 1M 리튬퍼옥사이드탄산염 전해질에서 리튬 이온을 738 C g⁻¹ (205 mAh g⁻¹)의 높은 저장 용량으로 제공하며, 허위 용량 특성과 고속 작동 능력을 동시에 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 알루미늄 함유 MAX 상을 초월한 MXene의 일반적인 합성 경로를 개발하기 위해.
• Si, Zn, Ga와 같은 A 원소를 포함한 MAX 상으로부터 MXene의 합성을 가능하게 하기 위해.
• 에너지 저장 응용 분야에서 비수용성 전해질 내 MXene의 전기화학적 성능을 향상시키기 위해.
• 탄산염 기반 전해질에서 고속 리튬 이온 저장 능력을 입증하기 위해.
• 루이스 산성 용융물에서의 산화환원 제어를 통한 에칭 메커니즘 수립하기 위해.

제안 방법

• 강한 루이스 산성을 지닌 용융염 시스템을 활용하여 MAX 상의 A 원소를 선택적으로 에칭하기 위해.
• 불필요한 부반응을 방지하기 위해 에칭 과정을 산화환원 제어에 활용하기 위해.
• 이전에 전통적인 HF 기반 에칭으로는 접근할 수 없었던 Si, Zn, Ga를 A 원소로 포함한 MAX 상으로부터 MXene 합성하기 위해.
• 상의 순도와 2차원 구조를 확인하기 위해 XRD, XPS, SEM, TEM을 사용하여 생성된 MXene의 특성 분석하기 위해.
• Li⁺ 저장 성능 평가를 위해 1M LiPF6를 EC/DEC 탄산염 전해질에 용해하여 전기화학적 시험 수행하기 위해.
• 사이클릭 voltammetry 및 일정 전류 충전-방전 측정을 통해 전하 저장 메커니즘 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비알루미늄 함유 MAX 상에서 MXene를 접근할 수 있는 일반적인 루이스 산성 에칭 경로를 개발할 수 있는가?
• RQ2 용융염 에칭을 통해 합성된 MXene의 비수용성 전해질 내 전기화학적 성능은 어떠한가?
• RQ3 용융염 내 산화환원 제어 에칭 메커니즘은 전통적인 HF 기반 에칭에 비해 선택성과 수율 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 생성된 MXene는 탄산염 기반 전해질 내에서 얼마나 높은 허위 용량 특성을 나타내는가?
• RQ5 Si-, Zn-, 또는 Ga 기반 MAX 상에서 유래한 MXene는 고속 리튬 저장 용량을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 용융염 에칭 방법을 통해 Si, Zn, Ga를 A 원소로 포함한 MAX 상에서 MXene를 성공적으로 제조하여, 알루미늄 함유 전구체를 초월한 MXene의 접근 범위를 넓혔다.
• 합성된 Ti3C2 MXene는 1M LiPF6 탄산염 전해질에서 738 C g⁻¹ (205 mAh g⁻¹)의 특이 용량을 확보하여 높은 에너지 저장 능력을 입증하였다.
• 근사 직사각형의 사이클릭 볼타메트리와 용량의 선형 잠금 특성에 의해, 물질이 허위 용량 특성과 유사한 전기화학적 거동를 나타내었다.
• 고전류 밀도에서도 높은 용량을 유지함으로써 고속 작동 성능이 확인되었으며, 이는 이온 및 전자 이동이 매우 빠름을 시사한다.
• 산화환원 제어를 통한 선택적 A-사이트 에칭이 가능하여 MXene 층의 손상을 최소화하고 구조적 안정성을 유지하였다.
• 다양한 비전통적 MAX 상 전구체에서의 성공적인 합성 결과를 통해 이 방법이 일반화 가능함을 입증하였다.