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二维过渡金属碳化物在熔盐刻蚀后处理中的非晶化现象

时间：2024-04-04 来源：浏览：

二维过渡金属碳化物在熔盐刻蚀后处理中的非晶化现象

Energist 能源学人

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【研究背景】

二维过渡金属碳/氮化物基于自身可调的层状、表界面结构，被广泛用于电化学储能等诸多领域，但同样由于丰富的表面氧等基团，MXene电极在电化学过程中存在结构上的变化。当前，通过原子、分子等异质结构的设计能够显著提高MXene电极材料的结构稳定性以及电化学性能。同时，路易斯酸熔盐法已成为制备MXene的一种通用合成方法，前期研究表明部分熔盐刻蚀过程中氧化性试剂的引入可以实现MXene的无定型化转变，是一种制备异质结构电极的潜在方法。因此，深入探索路易斯酸熔盐实现非晶的过程，可控获得中间相异质结构，实现MXene电极在电化学储能过程中的结构和性能稳定性具有重要意义。

【工作介绍】

近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼、王昌达课题组利用同步辐射技术揭示了路易斯酸熔盐刻蚀的碳化铌等多种MXenes在过硫酸铵中逐渐非晶化的变化过程，发现并获得贫氧非晶碳化铌/a-Nb ₂ CT _x 这一独特的中间相异质结构。多圈电化学循环之后的原位同步辐射x射线衍射研究证实了a-Nb ₂ CT _x 的结构稳定性。基于独特的异质结构，a-Nb ₂ CT _x 在电化学储锂方面表现出了优秀的倍率性能和长循环稳定性。本研究结果对路易斯酸熔盐法制备高质量MXenes过程中氧化性试剂的引入和设计结构稳定的新型异质结MXenes电极提供了参考。该文章发表于Advanced Functional Materials，闫紫薇和朱可夫为本文第一作者。

图1 同步辐射研究Nb ₂ CT _x MXenes结构演化表征示意图

【内容表述】

图2 a-Nb ₂ CT _x MXene的构建

路易斯酸熔盐刻蚀之后，通常将混合材料浸泡于过硫酸铵溶液中，用于去除Cu和CuCl等副产物，最终获得Nb ₂ CT _x MXene。这一步骤中，随着浸泡时间的增加，MXene 的(002)特征峰峰强度逐渐降低、展宽并直至消失，Nb ₂ CT _x MXene的结晶度逐渐降低，变为部分无定型（40%, 10%），最终成为完全无定型状态。

图3 a-Nb ₂ CT _x MXenes的谱学研究

通过同步辐射谱学和XPS研究了Nb ₂ CT _x 的局域结构。随着浸泡时间的增加，Nb的价态逐渐增加，Nb ₂ CT _x 和中间相a-Nb ₂ CT _x 中Nb的价态变化微小，a-Nb ₂ CT _x 形成一层贫氧无定型保护层，而另一中间相o-Nb ₂ CT _x 和完全无定型p-Nb ₂ CT _x 中Nb的价态明显升高，Nb ₂ CT _x 进一步被深度氧化。

图4 a-Nb ₂ CT _x 电极的电化学性能

所获得的具有独特异质结构的a-Nb ₂ CT _x 表现出良好的储锂倍率性能和稳定性，800次循环（5500 h）后，a-Nb ₂ CT _x 的容量基本没有下降，表现为300 mAh g ^-1 。

图5 a-Nb ₂ CT _x 在储锂过程中的结构演变

通过原位同步辐射x射线衍射研究了a-Nb ₂ CT _x 电极在初始放电-充电过程中的结构演化。相比Nb ₂ CT _x 充放电几圈之后的明显氧化，a-Nb ₂ CT _x 在经过多个循环后仍保持良好的层状结构。非晶部分在充放电过程中对a-Nb ₂ CT _x 电极有一定的保护作用，只发生衍射峰位置的偏移，实现了结构稳定性的增强，赋予a-Nb ₂ CT _x 电极具有优异的循环稳定性。

Z. Yan, K. Zhu, H. Xu, S. Wei, W. Wen, C. Wang, L. Song, Oxygen-Poor Amorphous Heterostructure Derived from Nb ₂ CT _x Toward Superior Lithium-Ion Storage. Adv. Funct. Mater. 2024.

https://doi.org/10.1002/adfm.202402543

王昌达，中国科学技术大学国家同步辐射实验室，副研究员

https://faculty.ustc.edu.cn/WangChangda/zh_CN/index/101801/list/index.htm

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