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

Youbing Li, Hui Shao+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2019

MXene and MAX Phase MaterialsMaterials Science参考文献 19被引用 19

一句话总结

本文提出一种通用的路易斯酸性熔盐蚀刻方法，利用熔盐从非传统MAX相（A元素为Si、Zn、Ga）中合成MXene，实现了在非水电解质中具有优异电化学性能的Ti₃C₂ MXene的制备。该方法在1M LiPF₆碳酸盐电解质中实现了高达738 C g⁻¹（205 mAh g⁻¹）的Li⁺存储容量，表现出赝电容行为和高倍率性能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种超越含铝MAX相的通用MXene合成路线。
• 实现从A元素如Si、Zn和Ga的MAX相中合成MXene。
• 提升MXene在非水性电解质中的电化学性能，以用于能量存储应用。
• 在碳酸盐基电解质中展示高倍率锂离子存储能力。
• 建立基于路易斯酸性熔盐的氧化还原控制蚀刻机制。

提出的方法

• 利用具有强路易斯酸性的熔盐体系，选择性地蚀刻MAX相中的A元素。
• 采用氧化还原控制策略管理蚀刻过程，防止副反应的发生。
• 从包含Si、Zn和Ga等A元素的MAX相中合成MXene，这些材料此前无法通过传统的HF基蚀刻方法获得。
• 利用XRD、XPS、SEM和TEM对所得MXene进行表征，以确认其相纯度和二维形貌。
• 在1M LiPF₆/EC/DEC碳酸盐电解质中进行电化学测试，以评估Li⁺存储性能。
• 通过循环伏安法和恒电流充放电测量分析电荷存储机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以开发一种通用的路易斯酸性蚀刻路线，以从不含铝的MAX相中获得MXene？
• RQ2 通过熔盐蚀刻合成的MXene在非水性电解质中的电化学性能如何？
• RQ3 与传统的HF基蚀刻相比，熔盐中氧化还原控制蚀刻机制在选择性和产率方面有何差异？
• RQ4 所得MXene在碳酸盐基电解质中表现出赝电容行为的程度如何？
• RQ5 从Si、Zn或Ga基MAX相衍生的MXene能否实现高倍率锂存储容量？

主要发现

• 熔盐蚀刻方法成功从A元素为Si、Zn和Ga的MAX相中制备了MXene，将可获得MXene的范围扩展至不含铝的前驱体之外。
• 所合成的Ti₃C₂ MXene在1M LiPF₆碳酸盐电解质中实现了738 C g⁻¹（205 mAh g⁻¹）的比容量，表现出优异的能量存储能力。
• 该材料表现出类似赝电容的电化学行为，表现为近似矩形的循环伏安曲线以及电容随电位呈线性依赖关系。
• 在高电流密度下仍保持显著容量，证实了其具有快速的离子和电子传输性能。
• 该方法通过氧化还原控制实现了A位点的选择性蚀刻，最大限度减少了对MXene层的损伤，保持了结构完整性。
• 该方法具有普适性，已通过多种非传统MAX相前驱体的成功合成得到验证。