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ACS Nano | 二维层状金属碳化物MXene高电容根源揭秘

时间:2017-06-20

中国科学院金属研究所高性能陶瓷研究部王晓辉课题组在拉曼光谱识别二维碳化物MXene表面官能团方面有新的进展。通过拉曼光谱的原位测量结合计算模拟(castep模块)实现拉曼峰的识别,阐明了MXene高电容产生的根源,研究结果发表在ACS Nano上。(ACS Nano 2016, 10, 11344−11350)


第一原理计算结合原位电化学拉曼光谱揭示MXene赝电容产生根源

      近年来,随着对石墨烯的不断研究和认识,人们逐步意识到二维材料在基础和应用研究中的巨大潜力,这也打开了发掘更多二维材料的大门。MXene是一种新型过渡金属碳/氮化物二维晶体,具有和石墨烯类似的结构,化学式为Mn+1XnTx,其中 n = 1、2、3,M为早期过渡金属元素,X 为碳或氮元素,T 为表面携带的-OH、-O或-F等官能团。 这一类材料可以通过氢氟酸剥离层状陶瓷材料 MAX 相获得,具有优异的力学、 电子、 磁学等性能,特别在电化学超级电容器应用方面尤为突出。

      诸多文献报道了MXene在以H2SO4 水溶液为电解液制备的超级电容器中的优异性能,却都未曾明确地阐明为什么选择H2SO4 作为电解液。最近,中国科学院金属研究所的王晓辉研究员领导的研究团队通过原位电化学拉曼表征方法揭示了以Ti3C2Tx 为代表的MXene在H2SO4电解液中具有超高电容量的本质所在。该团队通过前期的晶格动力学研究(CASTEP模块),论证了不同官能团对MXene稳定性和键合特性的影响,发现Ti3C2Tx的拉曼光谱严重依赖官能团的种类,由此可以根据拉曼光谱识别官能团种类(Phys. Chem. Chem. Phys.17, 9997−10003, 2015)。在此基础上,结合拉曼光谱快捷、无损、非接触等优点,研究了Ti3C2Tx MXene在不同的电解液(H2SO4、(NH4)2SO4、MgSO4)中充放电过程的拉曼光谱变化,发现其在H2SO4电解液中的变化很明显,而在其余两种电解液中几乎没有变化。通过对拉曼峰位的比对,发现在H2SO4中MXene 实现了由Ti3C2(OH)2向Ti3C2O(OH)的转变,这种转变正是由于氢离子的存在所导致的,这也说明在H2SO4中Ti3C2Tx是以发生氧化还原反应的这种赝电容行为来存储电荷,从而获得比较高的电容量。这也为MXene在未来的电容器研究方面开辟了新的研究思路。这一研究成果发表于《ACS nano》上(ACS Nano, 10, 11344−11350, 2016)。
 
 




 
      此外,作为电极材料,良好的导电性也是实现高性能的前提条件。通过第一原理方法计算多层MXene的堆垛体的能带结构和费米面,预测了其电子电导的各向异性,并通过原位测量单颗粒MXene获得本征导电属性,证实了导电的各向异性(Sci.Rep.5, 16329,2015)。这种导电各向异性的手风琴结构还可能会在传感器领域有潜在的应用。
 
中国科学院金属研究所高性能陶瓷研究部王晓辉课题组长期致力于层状纳米陶瓷材料和电化学储能材料。研究领域涉及三元层状MAX相可加工导电陶瓷、二维MXene和锂离子电池正极材料LiFePO4。课题组近期代表性工作还有: Nano Letters (16, 795−799, 2016), Phys. Chem. Chem. Phys. (18, 20256−20260, 2016), ChemNanoMat (3, 292−297, 2017)。
 
课题组依托于沈阳材料科学国家(联合)实验室,欢迎具有化学、物理、材料等知识背景的本科生、研究生、博士后加入。课题组主页:http://www.synl.ac.cn/org/high/zi/field.htm