[논문 리뷰] One-pot green process to synthesize controllable surface terminations MXenes in molten salts

Miao Shen, Weiyan Jiang외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 20.

MXene and MAX Phase Materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유리한 표면 치환기를 가진 불화물 및 금속이 없는 Ti3C2Tx MXene를 합성하기 위해 융융염(MS-E-etching)을 사용하는 한 방울, 녹색 전기화학적 에칭 방법을 제시한다. 음극 환원과 양극 에칭을 공간적으로 분리함으로써, Cl⁻를 직접 O⁻ 및 S⁻ 치환기로 전환할 수 있으며, 이로 인해 1 A/g에서 225 F/g의 용량을 가지는 MXene를 얻을 수 있고, 지속 가능성을 위해 소금을 재활용할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어 가능한 표면 치환기를 가진 MXene를 합성하기 위한 지속 가능한 한 방울 방법 개발.
• 기존의 에칭 방법에서 흔히 발생하는 금속 불순물과 불화물 기반 치환기를 제거.
• 단일 반응 용기 내에서 -Cl에서 -O 및/또는 -S로 직접적인, 현장에서의 표면 치환기 수정 가능.
• 맞춤형 표면 화학을 통해 MXene의 전기화학적 성능 향상.
• 융융염 매체의 재활용 가능성을 입증하여 환경적 및 경제적 지속 가능성 확보.

제안 방법

• 융융염 전해질(예: KCl–NaCl)을 전기화학적 에칭의 용매 및 이온 전도성 매체로 사용.
• 양극(티타늄 알루미늄 카바이드 Ti3AlC2의 에칭)과 음극(산소 또는 황 화합물의 환원)을 공간적으로 분리하여 금속 오염을 방지.
• 융융염에 O- 및 S-함유 물질(예: H2O, SO4²⁻)을 도입하여 현장에서 표면 치환기 수정 가능.
• 이온의 확산과 반응 동력을 향상시키기 위해 고온(예: 약 700 °C)에서 전기화학적 에칭 수행.
• 전압, 시간, 소금 조성 등의 반응 조건을 제어하여 -Cl에서 -O 및 -S로 표면 치환기를 조절.
• 합성 후 융융염을 회수 및 재사용하여 폐기물 최소화 및 녹색 특성 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 방울, 녹색 공정이 제어 가능한 표면 치환기를 가진 불화물 및 금속이 없는 MXene 합성에 성공할 수 있는가?
• RQ2 단일 반응 단계에서 -Cl에서 -O 및 -S로 표면 치환기를 직접 수정할 수 있는가?
• RQ3 이 방법으로 합성된 O-치환기 MXene의 전기화학적 성능은 어떠한가?
• RQ4 융융염 매체가 功能을 잃지 않고 효과적으로 재활용될 수 있는가?
• RQ5 양극 에칭과 음극 환원을 공간적으로 분리함으로써 최종 MXene 제품에 금속 불순물이 효과적으로 방지되는가?

주요 결과

• MS-E-etching 방법은 불화물 및 금속이 없는 조절 가능한 표면 치환기를 가진 Ti3C2Tx MXene를 성공적으로 합성하였다.
• 단일 용기 내에서 -Cl에서 -O 및/또는 -S로 표면 치환기가 직접 전환되어 다단계 후처리를 제거하였다.
• -O-치환기 MXene는 1 A/g에서 225 F/g, 10 A/g에서 205 F/g의 특이 용량을 나타내어 뛰어난 고속 거치성능을 입증하였다.
• 융융염 전해질은 회수 및 재사용되어 공정의 지속 가능성과 녹색 특성을 확인하였다.
• 양극 에칭과 음극 환원의 공간적 분리가 최종 MXene 제품의 금속 불순물 방지에 효과적으로 기여하였다.
• 기존의 다단계 에칭 및 표면 수정 공정에 비해 합성 절차가 크게 단축되었다.