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二维过渡金属碳化物(MXene)的结构稳定与复合纳米结构构筑新策略

时间:2017-11-13 09:02来源: 作者: 点击:

 

 

 

发展清洁能源技术已成为当今世界尤其是我国解决能源与环境问题,实现经济社会可持续和谐快速发展刻不容缓的重大战略需求。以高能量二次电池、电解水制氢等为代表的高效能源存储与转化技术不仅可以实现对间歇性可再生能源的高效利用,还可面向实际需求,为关系国计民生的化工产业提供基本原料与燃料,因而被视为清洁能源高效利用的关键技术之一。

高性能二次电池的发展亟需创制高比容量、长寿命、大电流充放电性能优异的电极材料,低成本、低能耗的规模化电解水制氢工业则需寻求廉价、高效的非贵金属催化剂。尽管技术原理不同,发展高反应活性、稳定性优异的电化学活性材料对二者的性能与应用均十分关键。

将活性材料纳米结构与导电基质材料通过物理或化学方法复合是构筑高性能电极材料或电化学催化剂的有效途径。石墨烯是广泛使用的导电基质材料,但理想的石墨烯与多数极性分子、溶剂介质等相互作用较弱,不适用于构筑高性能复合电极材料。对石墨烯进行化学功能化可有效调变其化学反应活性与界面性质,但同时破坏其二维共轭结构,从根源上限制了复合材料电化学性能的提高。

MXene是一类具有类石墨烯结构与新颖性质的新型二维晶体化合物,其化学式为Mn+1Xnn=1, 2, 3M为过渡金属元素,X为碳或氮元素),是近年功能材料研究领域的新星之一。迄今为止已有19MXene被成功制备,几十种MXene为理论预言稳定存在,如此多元化的结构组成为其性质调控及衍生材料构筑提供了广阔的空间。与传统二维材料相比,MXene在具有类金属导电性的同时,表面丰富的-F-OH等官能团也赋予其优良的化学反应活性与亲水性,可望作为构筑纳米复合结构的理想基质材料。但由于高比例金属原子在表面的暴露,MXene在氧化性气氛中容易相变为TiO2半导体并伴随二维结构的坍塌,这不仅限制了MXene自身的应用,也对基于MXene的复合材料材料创制提出了巨大挑战。

 

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1 a)基于纳米涂覆有机物衍生碳提高MXene结构稳定性的策略;(b基于MXene的高稳定性MoS2/Ti3C2-MXene@C纳米复合结构的可控构筑策略。

 

针对这一问题,大连理工大学邱介山、王治宇教授课题组提出了一种基于纳米涂覆有机物衍生碳提高MXene结构稳定性的新策略。利用有机物分子与MXene表面化学官能团之间的化学作用及后续的有机物原位碳化过程在MXene表面均匀涂覆厚度约数纳米的导电碳层,基于其物理屏障与限域效应高效抑制MXene在低温水热过程与高温煅烧过程中的氧化,从而为MXene在常规合成手段如水热、溶剂热、化学气相沉积等过程中的应用提供了技术保障。此策略可进一步应用于基于MXene的高稳定性纳米复合结构的可控构筑。例如,在Ti3C2 MXene表面纳米涂覆有机物衍生碳时同步引入钼盐与硫源,通过水热反应即可在其表面生长碳包覆少层MoS2纳米薄片的多孔三维阵列结构。此类结构中,MoS2纳米结构在抑制MXene的二次堆叠的同时,可作为储锂或催化析氢反应的电化学活性材料;MXene作为导电基质改善复合结构导电性,同时避免MoS2纳米结构的团聚;外部包覆的碳层则进一步提高复合材料的整体结构稳定性。得益于三者间的协同作用,获得的MoS2/Ti3C2-MXene@C复合纳米结构在20 A g-1的大电流密度下表现出长达3000次的超长循环寿命,单次循环比容量损失低达0.0016%。在应用为析氢反应催化剂时,此类材料表现出类铂的起始电位、反应过电势与优异的反应稳定性。与基于石墨烯与MoS2的同类纳米复合结构相比,基于MXene的纳米复合结构在储锂与电化学析氢应用方面均表现出了更为优异的性能,充分展现了MXene在构筑新结构、高性能能源材料方面的巨大应用潜力。

 

2 MoS2/Ti3C2-MXene@C纳米复合结构的a扫描电子显微镜照片,b透射电子显微镜照片;c)高分辨率透射电子显微镜照片;(d)作为锂离子电池负极材料的超长循环稳定性;(e)作为电化学析氢催化剂的优异性能。

 

这一成果近期发表于Advanced MaterialsDOI10.1002/adma.201607017,并被作为背封面文章亮点推介。第一作者为大连理工大学硕士生吴籼虹,通讯作者王治宇、邱介山。研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、中组部青年千人计划、霍英东教育基金会的资助支持。

原文链接:(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201607017/abstract;jsessionid=5B95F2A4B16DA871EF4A44E5E57402B2.f04t01

 

 

 

 

 

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