Ti2AlX(X=C 或 N)陶瓷腐蚀行为及腐蚀产物电化学性能研究

摘要

由于同时兼备有金属和陶瓷两种特性，MAX相陶瓷受到了研究者们的广泛关注。其中，MAX陶瓷的酸腐蚀行为已经被基本熟知，不同种类腐蚀产物MXene更是以其独特的二维片层结构在物理和化学性能方面具有极大的优越性。然而，目前对于MAX陶瓷的碱腐蚀行为研究较少，腐蚀机理及产物性能尚未明确。 本文通过无压烧结技术制备得到 Ti2AlC、Ti2AlN 陶瓷，对其分别进行酸腐蚀和碱腐蚀处理，通过 X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等技术，分别研究了产物的物相组成、微观组织及尺寸形貌等，通过恒流充放电实验、循环伏安曲线（CV）等测试研究了产物电化学性能，具体结果如下： 通过无压烧结得到的Ti2AlC、Ti2AlN 陶瓷粉体，具有良好的结晶性和致密层状形貌，晶粒粒径分布分别在5-10?m和?5?m之间。 Ti2AlC陶瓷在H+浓度6M，F-浓度1.2M，35?C作用36h等条件下，表现出良好的选择性腐蚀行为，其产物Ti2CTx MXene具有类手风琴形貌，能够剥离成为自由分布的二维纳米片。同时，Ti2CTx在100mA g-1电流密度下，充放电比容量可达241mAh g-1，其值接近Ti2C理论比容量(250 mAh g-1)，并表现有良好的倍率性能及循环稳定性。 Ti2AlC陶瓷在碱腐蚀浓度较小时且时间较低时，产物多为不规则片状非化学计量比的钛酸钾盐。随着腐蚀浓度、时间的增加，产物形貌变为带状，厚度加大，随即卷曲成棒，进一步长大。当腐蚀浓度为 10M，腐蚀时间为24h时，腐蚀产物为海带状C-K2Ti4O9复合相，其表现出较为优异的电化学性能。在100mA g-1电流密度下，经700次循环充放电后，比容量可达314mAh g-1，其值相对于Ti2C的实验值有了明显的提升。 Ti2AlN陶瓷因Ti-N结构极不稳定，选择性腐蚀在HF酸体系中难以实现。其KOH水热腐蚀产物与Ti2AlC陶瓷碱腐蚀结果相类似，腐蚀产物均为不同形貌的钛酸钾盐，不同的是氮基MAX相腐蚀产物为隧道式K2Ti8O17晶须，因为空间结构的封闭性，K2Ti8O17表现出比Ti2AlC碱腐蚀产物C-K2Ti4O9相比较弱的锂离子电池电化学性能，其在100mA g-1的充放电电流密度下比容量不足200mAh g-1，且电池循环性能相对较差。 对Ti2AlN陶瓷进行结构设计，其中对A位进行元素掺杂，结果发现当A位同时掺杂有0.05Ga/0.03In/0.02Sn三种元素时，经无压烧结得到具有明显固溶效应的Ti2AlN陶瓷。其掺杂Ti2AlN陶瓷粉体的HCl腐蚀产物为自由分布的二维薄片，厚度小于50nm，呈现出良好的剥离行为。同时，通过特定烧结模具设计，由热爆反应-等离子体活化烧结（TE-EFSPS）两步烧结技术得到了高度织构化 Ti2AlN陶瓷，该陶瓷因晶粒的高度择优取向而在物理及化学性质方面表现出了优异的各向异性。

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