Nano Energy｜一种新型固溶相MXene

研究摘要

MXenes是一类新兴的二维（2D）前过渡金属碳化物和碳氮化物材料体系，已经展示出了许多吸引人的性质，在能源储存与其他应用中也展示出了巨大的潜力。尽管在实验当中已经合成出许多的MXenes，大多数的MXenes仅包含由一种或两种过渡金属元素。中熵或高熵的MXenes的合成是一项重要且具有挑战性的任务，原因在于增加的构型熵可以产生优异的性能。重庆大学党杰、吕学伟教授研究团队在《Nano Energy》上发表最新研究成果，报道了一种新的三过渡金属MAX相，Ti₂V_1-yCr_yAlC₂，并首次合成了相应的MXene相材料。结合球差矫正电镜、密度泛函理论以及同步加速器X射线对分布函数分析等先进手段，研究人员确定了Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x的结构，表现出三原子层中的Ti-V-Cr固溶行为。此外，将其应用于超级电容器的电极材料时，单层Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x表现出了优异的质量比容量（553.27 F g^-1 at 2 mV s^-1）。该工作不仅扩展了MXenes体系，还为中熵和高熵MXenes的制备提供了新的策略。

图文导读

图1. Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x固溶相MXene的制备过程；不同比例的三金属固溶相MXene的XRD图谱及其精修与X射线对分布函数。

图2. Ti₂V_0.9Cr_0.1AlC₂ MAX相与Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x MXene的微观结构表征：SEM、TEM、HRTEM与元素mapping分布。

图3. 固溶相Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x MXene结构的九种优化结构，以及相应的形成能与态密度。

图4. Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x MXene的XPS光谱：Ti 2p，V 2p，Cr2p，C 1s，O 1s与F 1s。

图5. 多种单相与固溶相MXene的电化学性能测试。

总结

      三过渡金属MAX相（Ti₂V_1-yCr_yAlC₂，y=0.1, 0.25, 0.5）通过选择性拓扑-化学刻蚀法，首次得到了相应的MXene相材料。通过理论计算发现，Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x的形成能要远低于Ti_2.5V_0.5C₂T_x，具有高的稳定性。作为超级电容器的负极材料，单层的Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x表现出超高的质量比电容、低阻抗与杰出的电化学稳定性。理论计算表明，与Ti_2.5V_0.5C₂T_x与Ti₃C₂T_x相比，Ti₂V_0.9Cr_0.1C₂T_x具有更高的导电性与更快速的电子传输，使其在超级电容器应用中具有非常优异的性能。

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107129

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