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合成用于电容器 电池和复合材料的二维无机材料
发布人: 和记娱h88 来源: 和记娱乐官方网登录注册 发布时间: 2020-07-21 13:47

  二维(2-D)过渡金属碳化物中的表面官能团可以进行多种化学,以促进广泛的MXene材料的使用。弗拉迪斯拉夫卡米斯巴耶夫(Vladislav Kamysbayev)和詹姆斯弗兰克研究所(James Franck Institute),大学和美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的一组化学,物理学和纳米级材料科学家在最新的《科学》上介绍了合成MXene的通用策略。使用这种方法,他们通过熔融无机盐中的取代和消除反应来安装和去除表面基团。该团队成功地与氧气(O),亚胺原合成了MXene(NH),硫(S),氯(Cl),硒(Se),溴化物(Br)和碲(Te)表面终止剂。他们还设计和开发了无MXene的裸露表面,没有表面终端,具有独特的结构和电子特性。这些表面基团还可以控制MXene晶格中的原子间距离,以表现出依赖于表面基团的超导性。

  科学家已经研究了MXene在超级电容器,电池,电磁干扰屏蔽和复合材料中的应用。通常可以通过选择性地蚀刻主族元素A 来从相应的MAX相合成衬底,其中M代表过渡金属,X代表碳或氮,该主族元素A可以包括铝(Al),镓(Ga),硅(Si) )和其他元素。研究人员通常在氟化氢(HF)水溶液中执行蚀刻,以使MXene具有氟化物(F),氧(O)和氢氧化物(OH)官能团的混合物,通常表示为T x。官能团也可以被化学修饰,这与其他2-D材料(例如石墨烯和过渡二卤化氢)的表面不同。先前的研究表明,具有不同表面基团的MXene的选择性终止可以导致出色的性能,包括可调功函数和二维铁磁性。底物的共价功能化将导致发现合理设计二维功能材料的新方向。

  通过在实验室中的熔融盐中蚀刻MAX相,科学家消除了不希望的氧化和水解反应,从而合成了新的MXene。Kamysbayev等。使用高分辨率扫描透射电子显微镜(STEM),拉曼光谱和X射线方法对样品进行表征。他们表明如何氯(氯- )和溴化(BR - )终止MXenes能有效从事新类型的表面反应。该工艺可以对MXene材料的表面化学,结构和性能进行前所未有的控制。具有不稳定(易于改变)表面键合的基于氯化物和溴化物的MXene充当通用合成子用于其他化学。MXene表面交换反应所需温度为300摄氏度至600摄氏度,这是传统溶剂难以达到的。因此,该团队在熔融液中使用了具有无与伦比的高温稳定性和高溶解度的熔融碱金属卤化物。例如,分散在碱金属卤化物(例如溴化铯,溴化钾或溴化锂(CsBr / KBr / LiBr))中的卤化MXene(例如Ti 3 C 2 Br 2)可能与碲化二锂(Li 2 Te)和硫化锂(Li 2 S)形成带有碲化物或硫化物基团的MXenes。

  Kamysbayev等。然后基于相似的共价表面修饰合成了Ti 2 CCl 2,Ti 2 CBr 2和Nb 2 CCl 2(简称为氯化物-MXenes和溴化物-MXenes)。他们在MXenes上进行了表面交换反应,以证明在的所有阶段中完整的二维片材。例如,在300℃下溴化MXene与氢化锂反应期间,研究小组生产了具有空位的裸MXene,并将该过程描述为氢化物基团的还原消除。固体的化学通常受到缓慢扩散的阻碍,从而严重了合成固态化合物的范围因此,完全交换堆叠的MXene中的表面基团是一个动力学繁琐的过程。

  为了了解材料的反应性,科学家们了使用Ti 3 C 2 Cl 2薄板进行表面交换反应的过程。将MXene片堆叠在熔融盐中极大地帮助了离子的扩散,从而使MXene表面在空间上可接近。材料中范德华(vdW)半径和表面原子的堆积密度对表示为a的晶格有巨大影响。这项工作表明,如何以前所未有的通用性设计出MXene的组成和结构,而MXene的化学功能化几乎影响了材料的每个特性,并影响了MXenes中电子传输的性质。在30 K以上的温度下,MAX相和MXene样品显示出相似的比电阻率,在冷却样品时降低。该团队将温度依赖性与电导率和金属状态相关联。

  Kamysbayev等。指出在6.0 K的临界温度下电阻率急剧下降,表明材料中发生了超导转变。相比之下,通过传统蚀刻线(在HF水溶液中)制得的基于氧,氢氧化物和氟化物的MXenes显示出高两个数量级的电阻率,而未显示出超导性。含氧封端的MXene的电阻率最高,而含硒封端的MXene的电阻率最低。这样,表面基团不仅是观众,而且是MXene超导性的积极贡献者,影响了双轴应变,声子频率和电子声子的强度在材料中耦合。MXene交换反应代表了通常认为难以修改合成后的传统固体观点的令人兴奋的反例。通过广泛的表征研究,Vladislav Kamysbayev及其同事展示了如何合理设计扩展的MXene堆栈内部的化学键以形成广泛的功能材料。

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