[논문 리뷰] Direct synthesis and chemical vapor deposition of 2D carbide and nitride MXenes

Di Wang, Chenkun Zhou외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 17.

MXene and MAX Phase Materials인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 그래프트, 메탄, 또는 질소와 금속 및 금속 할라이드 반응을 이용한 2D MXene의 직접 합성 경로를 제시한다. 이는 MAX 상 전구체가 필요로 하는 것을 회피하는 것이다. 이 방법은 확장 가능한 원자 효율성 높은 생산을 가능하게 하며, 화학 기상 에피태크시(CVD)를 통한 MXene 카펫 및 세포막 형성과 유사한 고유한 스퍼룰라이트 형태의 나노구조를 형성할 수 있다. 이는 높은 리튬 이온 인터칼레이션 용량을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• MAX 상 전구체가 필요로 하지 않는 직접적이고 확장 가능한 2D MXene 합성 경로를 개발하는 것.
• 기존의 MAX 상 에칭을 통한 접근이 불가능한 MXene 상을 형성할 수 있도록 하는 것.
• 기판 상에서 MXene 필름 및 복잡한 나노구조의 화학 기상 에피태크시(CVD) 성장 방식을 입증하는 것.
• 직접 합성된 MXene를 이용한 리튬 이온 인터칼레이션 시스템에서 높은 에너지 저장 성능를 달성하는 것.
• MXene 형성 과정에서 스퍼룰라이트 형태의 구조를 포함한 새로운 형태의 진화 경로를 탐색하는 것.

제안 방법

• 고온에서 전이 금속 원료(예: Mo, Ti, Nb) 및 금속 할라이드를 그래프트, 메탄 또는 질소와 직접 반응시켜 2D MXene 상을 형성하는 것.
• 현장에서 탄화물 또는 질화물 형성을 통해 표면 확산 및 열분해 과정을 이용한 2D MXene 상 형성.
• 기판 상에서 MXene 필름 및 복잡한 나노구조를 성장시키기 위한 화학 기상 에피태크시(CVD) 장치 사용.
• 중간 단계의 MAX 상 합성을 피하기 위해 제어된 기상 반응을 통한 현장에서 MXene 상 형성.
• X선 회절, 전자현미경 및 전기화학적 테스트를 통한 상, 형태구조 및 성능 확인.
• 세포막 형성과 유사한 과정을 통해 발생하는 스퍼룰라이트 형태의 구조 형성 원리 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MAX 상 전구체가 필요로 하지 않는 원소 또는 단순 화합물 전구체로부터 MXene를 직접 합성할 수 있는가?
• RQ2 특히 복잡한 구조를 형성하는 직접 CVD 성장 과정에서 MXene의 형태구조 진화 경로는 무엇인가?
• RQ3 직접 합성 경로를 통해 기존의 MAX 상 에칭 방식으로는 접근이 불가능한 MXene 상을 생성할 수 있는가?
• RQ4 기존의 MXene 합성 방식에 비해 직접 합성 경로의 원자 효율성과 확장 가능성은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 직접 합성된 MXene의 전기화학적 성능은 리튬 이온 인터칼레이션 시스템에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 메탈 및 금속 할라이드를 그래프트, 메탄 또는 질소와 반응시켜 2D MXene의 직접 합성을 달성하였으며, 이는 기존 MAX 상에서 확보되지 않은 MXene 상에 접근할 수 있도록 하였다.
• 이 방법은 높은 원자 효율성과 확장 가능성을 입증하였으며, 기존의 MAX 상 에칭 방식에 대한 실질적인 대안을 제공하였다.
• 화학 기상 에피태크시(CVD)를 통해 MXene 카펫 및 복잡한 스퍼룰라이트 형태의 나노구조를 형성할 수 있었다. 이는 세포막 형성과 유사한 구조를 띠었다.
• 스퍼룰라이트 형태의 구조는 생물학적 세포막의 내포작용과 유사한 과정을 통해 형성되었으며, MXene 성장 과정에서 새로운 자가 조립 메커니즘이 존재함을 시사하였다.
• 직접 합성된 MXene는 높은 리튬 이온 인터칼레이션 용량을 보였으며, 에너지 저장 응용 분야에서의 잠재력을 확인하였다.
• 이 연구는 MXene의 새로운 합성 경로를 확립하였으며, 접근 가능한 상 공간을 넓히고 새로운 나노구조 공학을 가능하게 하였다.