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《科學(xué)》雜志：一種能夠合成數(shù)百種新型二維材料的方法
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-04-03 15:36:10
二維材料非常薄，只有幾個(gè)原子厚，具有獨(dú)特的性質(zhì)，使其在能量存儲、催化和水凈化等方面極具吸引力。瑞典林雪平大學(xué)研究人員開發(fā)出一種能夠合成數(shù)百種新型二維材料的方法。研究發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上。



圖1. 計(jì)算篩選方法的示意圖。

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)極薄材料（即所謂的二維材料）的研究呈指數(shù)級增長。二維材料相對于其體積或重量具有極大的表面積，因此產(chǎn)生了一系列物理現(xiàn)象和獨(dú)特的性能，例如良好的導(dǎo)電性、高強(qiáng)度或耐熱性，使得二維材料在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用中都受到關(guān)注。



最大的二維材料家族是MXene，由稱為MAX相的三維母體材料創(chuàng)建。它由3種不同的元素組成：M是過渡金屬，A是（A族）元素，X是碳或氮。通過用酸去除A元素（剝離），可創(chuàng)建二維材料。但到目前為止，MXene是唯一以這種方式創(chuàng)建的材料系列。



圖2. 層狀材料的剝離和溶劑化自由能比較。

研究人員引入了一種理論方法來預(yù)測其他可能適合轉(zhuǎn)換為二維材料的三維材料，并證明了理論模型與現(xiàn)實(shí)是一致的。



研究人員采用了3步過程。首先，他們開發(fā)了一個(gè)理論模型來預(yù)測哪些母材是合適的。通過瑞典國家超級計(jì)算機(jī)中心的大規(guī)模計(jì)算，研究人員從包含66643種材料的數(shù)據(jù)庫中識別出119種有前途的三維材料。



其次，他們嘗試在實(shí)驗(yàn)室中制造這種材料。研究人員從母體材料YRu2Si2中去除了釔（Y），從而形成了二維的Ru2SixOy。



圖3. 化學(xué)剝落的初始階段，由空位形成自由能證明。

最后一步是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，他們使用掃描透射電子顯微鏡Arwen在原子水平上檢查材料及其結(jié)構(gòu)。利用Arwen還可使用光譜法研究材料由哪些原子組成。



研究證明了理論模型確實(shí)有效，并且所得材料由正確的原子組成。該理論可付諸實(shí)踐，從而將化學(xué)剝離的概念擴(kuò)展到比MXene更廣泛的材料中。



圖4. YRu2Si2在HF水溶液中的化學(xué)剝落。

自從石墨烯橫空出世，越來越多的二維材料家族成員進(jìn)入人類視野。在電子元器件領(lǐng)域，很多二維材料憑借更高的電荷遷移率、更小的功耗等，展現(xiàn)出比傳統(tǒng)硅材料更加優(yōu)越的性能。不僅如此，在燃料電池、太陽能電池等新能源領(lǐng)域，二維材料憑借其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和可調(diào)控特性，擁有廣闊應(yīng)用前景。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)能夠合成數(shù)百種新型二維材料的方法，將使二維材料家族進(jìn)一步壯大，也為二維材料科學(xué)研究提供了更多可能。

相關(guān)研究

新方法制備高性能二維材料Mo2C MXene



MXene是一種新型二維材料，通常通過酸溶液刻蝕的方法制備。本文首次報(bào)道用堿溶液刻蝕的方法制備一種MXene：Mo2C MXene的報(bào)道。用這種方法制備的Mo2C MXene具有良好的電化學(xué)性能，明顯優(yōu)于常規(guī)酸溶液刻蝕制備的樣品。該成果由河南理工大學(xué)周愛國教授團(tuán)隊(duì)完成，博士研究生郭奕彤為本文第一作者。



MXenes是一類新型二維材料，具有良好的電化學(xué)儲能、吸波、催化性能。MXene通過在酸溶液(氫氟酸、鹽酸等)中刻蝕MAX相陶瓷而制備。這種方法制備的MXene表面會吸附酸根陰離子（F-，Cl-等），影響材料的性能。為了避免酸根離子的影響，可以用堿溶液刻蝕。但是堿溶液刻蝕MAX相陶瓷的能力比較弱。為了提升堿溶液的刻蝕能力，需要提高反應(yīng)溫度。然而，MXene的熱穩(wěn)定性很差，高溫容易導(dǎo)致MXene的氧化。



Mo2C MXene是一種新型的MXenes。相比于常見的Ti3C2MXene,Mo2C MXene具有更好的熱穩(wěn)定性。因此可能在較高的反應(yīng)溫度，通過較弱的刻蝕溶液，制備不被氧化的Mo2C MXene。本文探索在堿溶液中，通過水熱刻蝕的方法，制備Mo2C MXene的刻蝕過程。發(fā)現(xiàn)了堿溶液刻蝕制備高性能Mo2C MXene的方法。明晰堿溶液的種類、刻蝕溫度、刻蝕時(shí)間對制備過程的影響。分析制備樣品的表面吸附離子，測試制備樣品作為鋰離子電池負(fù)極的性能，并且常規(guī)酸溶液刻蝕樣品進(jìn)行對比。



本文首次報(bào)道了堿溶液刻蝕制備Mo2C MXene。相比于LiOH和KOH，NaOH溶液是適合的堿刻蝕溶液。具體工藝參數(shù)：NaOH溶液濃度為20 M，反應(yīng)溫度為180℃，反應(yīng)時(shí)間為24 h。與常規(guī)氫氟酸(HF)刻蝕法相比，在NaOH溶液中制備的Mo2C MXene作為鋰離子電池的負(fù)極材料，具有更好的電化學(xué)性能。在電流密度為0.8 A·g-1下，F(xiàn)L-Mo2C-Na的最終放電比容量為266.73 mAh·g-1，比FL-Mo2C-HF的175.77 mAh·g-1提高了52%。



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