二维碳化物晶体MXene的制备及其吸附、电化学性能研究

摘要

二维碳化物晶体MXene是一类具有类石墨烯结构的新型二维材料，它是通过剥离三元层状陶瓷材料MAX相的方法制备而得。MAX相的化学式为Mn+1AXn，其中，n=1，2，3，早期的过渡金属元素记为M，主族元素记为A，X为碳或氮元素。本文利用氟盐与盐酸的混合溶液刻蚀Ti2AlC、V2AlC，成功制备出二维碳化物晶体Ti2C和V2C，利用XRD、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮吸附测试仪和高温高压气体吸附仪等实验仪器，对所得二维碳化物Ti2C和V2C进行检测和表征。测试了Ti2C的气体吸附性能和V2C作为锂离子电池负极材料的电化学性能。 本文利用质量分数相同的氟盐溶液和摩尔浓度相同的氟盐溶液制备二维碳化物晶体Ti2C。XRD结果表明：这两种途径均可得到Ti2C，影响Ti2C制备的最主要因素是刻蚀温度和时间；利用尿素、氨水、二甲基亚酰胺等小分子，可以进一步剥离Ti 2 C。 氮吸附测试结果表明：Ti2C结构中存在介孔，其比表面积为19.1 m2/g。甲烷吸附测试结果表明：Ti2C对甲烷气体具有一定的吸附性能，在常温、压力为5 Mpa下，Ti2C的甲烷吸附量为11.58 cm3(STP)/g。而且，由不同氟盐刻蚀所得Ti2C对甲烷的吸附能力也不同；测试结果还表明：经过插层后的Ti2C，在常温、压力为5 Mpa下，甲烷的吸附量可增加到16.81 cm3(STP)/g；当温度升高至50oC时，吸附量增加至52.76 cm3(STP)/g。Ti2C的二氧化碳吸附结果显示：Ti2C对CO2的吸附量随温度的升高与层间距的增大而增加。 利用氟化钠与盐酸的混合溶液刻蚀V2AlC可获得纯度较高的V2C。测得其比表面积为9.58 m2/g。电化学性能表明：V2C作锂离子电池的负极材料，具有较高的嵌锂和脱锂性能；在电流密度为1C（1C=370 mA/g）的条件下，首次储电容量可达291 mAh/g，说明V2C具有良好的结构稳定性和循环稳定性，同时也表明V2C是一种很有前途的锂离子电池负极材料。

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