[论文解读] Direct synthesis and chemical vapor deposition of 2D carbide and nitride MXenes

Di Wang, Chenkun Zhou+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2022

MXene and MAX Phase Materials被引用 6

一句话总结

本文提出了一种通过金属与金属卤化物在石墨、甲烷或氮气中反应直接合成二维MXene的路线，无需使用MAX相前驱体。该方法实现了可扩展、原子经济性的生产，并实现了化学气相沉积（CVD）生长MXene毯状结构及类似球晶的纳米结构，其形态类似于细胞膜的形成过程，具有高锂离子插层容量。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需MAX相前驱体的直接、可扩展的二维MXene合成路线。
• 实现通过传统MAX相蚀刻无法获得的MXene相的形成。
• 展示MXene薄膜和复杂纳米结构的化学气相沉积（CVD）生长。
• 利用直接合成的MXene在锂离子插层体系中实现高能量存储性能。
• 探索MXene形成过程中新型形态演化路径，如球晶状结构。

提出的方法

• 在高温下，将过渡金属源（如Mo、Ti、Nb）和金属卤化物与石墨、甲烷或氮气直接反应。
• 利用热分解和表面扩散过程，通过原位形成碳化物或氮化物生成二维MXene相。
• 采用化学气相沉积（CVD）装置在基底上生长MXene薄膜和复杂纳米结构。
• 通过受控的气相反应实现MXene相的原位形成，避免中间MAX相的合成。
• 通过X射线衍射、电子显微镜和电化学测试表征，确认相结构、形貌和性能。
• 通过形貌分析识别出类似球晶的结构，其形成过程类似于生物膜中的内吞作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够直接从元素或简单化合物前驱体合成MXene，而无需预先形成MAX相？
• RQ2 在MXene的直接CVD生长过程中，特别是复杂结构的形成，其形貌演化路径是什么？
• RQ3 该直接合成路线能否生成通过传统MAX相蚀刻无法获得的MXene相？
• RQ4 与传统MXene合成方法相比，该直接合成路线在原子经济性和可扩展性方面表现如何？
• RQ5 直接合成的MXene在锂离子插层体系中的电化学性能如何？

主要发现

• 通过金属与金属卤化物在石墨、甲烷或氮气中的反应，成功实现了二维MXene的直接合成，从而获得了以往从未从MAX相中获得的MXene相。
• 该方法表现出高原子经济性和可扩展性，为传统MAX相蚀刻提供了一种可行的替代方案。
• 化学气相沉积技术实现了MXene毯状结构和复杂球晶状纳米结构的生长，其形态类似于细胞膜的形成过程。
• 球晶状形貌的形成过程类似于内吞作用，表明在MXene生长过程中存在一种新颖的自组装机制。
• 直接合成的MXene表现出优异的锂离子插层容量，证实其在能量存储应用中的潜力。
• 本研究建立了一条全新的MXene合成路径，拓展了可获得的相空间，并实现了新型纳米结构工程。