[论文解读] One-pot green process to synthesize controllable surface terminations MXenes in molten salts

Miao Shen, Weiyan Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2021

MXene and MAX Phase Materials被引用 4

一句话总结

本研究提出一种一锅法、绿色的电化学蚀刻方法，利用熔融盐（MS-E-etching）合成不含氟、无金属的Ti3C2Tx MXene，且表面终止基团可调控。通过空间分离阴极还原与阳极蚀刻，该方法可直接原位将Cl⁻转化为O⁻和S⁻终止基团，获得在1 A/g电流密度下比电容达225 F/g的MXene，同时实现盐的循环利用，提升可持续性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可持续的一锅法，用于合成表面终止基团可控的MXene。
• 消除传统蚀刻方法中常见的金属杂质和含氟终止基团。
• 实现在单一反应器中直接、原位将表面终止基团从-Cl转化为-O和/或-S。
• 通过定制表面化学提升MXene的电化学性能。
• 证明熔融盐介质可有效回收利用，实现环境与经济上的可持续性。

提出的方法

• 利用熔融盐电解质（如KCl–NaCl）作为溶剂和离子导电介质，实现电化学蚀刻。
• 通过空间分离阳极（Ti3AlC2蚀刻）与阴极（氧或硫物种还原），防止金属污染。
• 向熔融盐中引入含O和S的物种（如H2O、SO4²⁻），以实现表面终止基团的原位改性。
• 在高温（如~700 °C）下进行电化学蚀刻，以促进离子扩散和反应动力学。
• 通过控制反应条件（电压、时间、盐组成）调节表面终止基团从-Cl向-O和-S转变。
• 在合成后回收并重复使用熔融盐，最大限度减少废物，提升绿色属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一种一锅法、绿色的工艺实现不含氟、无金属的MXene合成，且表面终止基团可调控？
• RQ2 如何在单一步骤中直接将表面终止基团从-Cl转化为-O和-S？
• RQ3 通过该方法合成的O-终止MXene的电化学性能如何？
• RQ4 熔融盐介质能否在不损失功能的前提下有效回收利用？
• RQ5 阳极蚀刻与阴极还原的空间分离在多大程度上可防止最终MXene产物中的金属杂质？

主要发现

• MS-E-etching方法成功合成了不含氟、无金属的Ti3C2Tx MXene，且表面终止基团可调控。
• 表面终止基团在单一反应器中直接从-Cl转化为-O和/或-S，消除了多步后处理的需要。
• -O-终止MXene在1 A/g电流密度下表现出225 F/g的比电容，10 A/g下为205 F/g，显示出优异的倍率性能。
• 熔融盐电解质被成功回收并重复使用，证实了该工艺的可持续性与绿色属性。
• 阳极蚀刻与阴极还原的空间分离有效防止了最终MXene产物中的金属杂质。
• 与传统多步蚀刻和表面改性路线相比，该方法显著缩短了合成流程。