科技資訊寫作大賽｜大連理工大學邱介山團隊Advanced Materials: 二維過渡金屬碳化物（MXene）的結構穩定與復合納米結構構筑新策略

背逆時光 6年前 (2017-05-25) 6840瀏覽

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。

發展清潔能源技術已成為當今世界尤其是我國解決能源與環境問題，實現經濟社會可持續和諧快速發展刻不容緩的重大戰略需求。以高能量二次電池、電解水制氫等為代表的高效能源存儲與轉化技術不僅可以實現對間歇性可再生能源的高效利用，還可面向實際需求，為關系國計民生的化工產業提供基本原料與燃料，因而被視為清潔能源高效利用的關鍵技術之一。

高性能二次電池的發展亟需創制高比容量、長壽命、大電流充放電性能優異的電極材料，低成本、低能耗的規模化電解水制氫工業則需尋求廉價、高效的非貴金屬催化劑。盡管技術原理不同，發展高反應活性、穩定性優異的電化學活性材料對二者的性能與應用均十分關鍵。

將活性材料納米結構與導電基質材料通過物理或化學方法復合是構筑高性能電極材料或電化學催化劑的有效途徑。石墨烯是廣泛使用的導電基質材料，但理想的石墨烯與多數極性分子、溶劑介質等相互作用較弱，不適用于構筑高性能復合電極材料。對石墨烯進行化學功能化可有效調變其化學反應活性與界面性質，但同時破壞其二維共軛結構，從根源上限制了復合材料電化學性能的提高。

MXene是一類具有類石墨烯結構與新穎性質的新型二維晶體化合物，其化學式為M_n+1X_n（n=1, 2, 3，M為過渡金屬元素，X為碳或氮元素），是近年功能材料研究領域的新星之一。迄今為止已有19種MXene被成功制備，幾十種MXene為理論預言穩定存在，如此多元化的結構組成為其性質調控及衍生材料構筑提供了廣闊的空間。與傳統二維材料相比，MXene在具有類金屬導電性的同時，表面豐富的-F、-OH等官能團也賦予其優良的化學反應活性與親水性，可望作為構筑納米復合結構的理想基質材料。但由于高比例金屬原子在表面的暴露，MXene在氧化性氣氛中容易相變為TiO₂半導體并伴隨二維結構的坍塌，這不僅限制了MXene自身的應用，也對基于MXene的復合材料材料創制提出了巨大挑戰。

圖1 （a）基于納米涂覆有機物衍生碳提高MXene結構穩定性的策略；（b）基于MXene的高穩定性MoS₂/Ti₃C₂-MXene@C納米復合結構的可控構筑策略。

針對這一問題，大連理工大學邱介山、王治宇教授課題組提出了一種基于納米涂覆有機物衍生碳提高MXene結構穩定性的新策略。利用有機物分子與MXene表面化學官能團之間的化學作用及后續的有機物原位碳化過程在MXene表面均勻涂覆厚度約數納米的導電碳層，基于其物理屏障與限域效應高效抑制MXene在低溫水熱過程與高溫煅燒過程中的氧化，從而為MXene在常規合成手段如水熱、溶劑熱、化學氣相沉積等過程中的應用提供了技術保障。此策略可進一步應用于基于MXene的高穩定性納米復合結構的可控構筑。例如，在Ti₃C₂ MXene表面納米涂覆有機物衍生碳時同步引入鉬鹽與硫源，通過水熱反應即可在其表面生長碳包覆少層MoS₂納米薄片的多孔三維陣列結構。此類結構中，MoS₂納米結構在抑制MXene的二次堆疊的同時，可作為儲鋰或催化析氫反應的電化學活性材料；MXene作為導電基質改善復合結構導電性，同時避免MoS₂納米結構的團聚；外部包覆的碳層則進一步提高復合材料的整體結構穩定性。得益于三者間的協同作用，獲得的MoS₂/Ti₃C₂-MXene@C復合納米結構在20 A g^-1的大電流密度下表現出長達3000次的超長循環壽命，單次循環比容量損失低達0.0016%。在應用為析氫反應催化劑時，此類材料表現出類鉑的起始電位、反應過電勢與優異的反應穩定性。與基于石墨烯與MoS₂的同類納米復合結構相比，基于MXene的納米復合結構在儲鋰與電化學析氫應用方面均表現出了更為優異的性能，充分展現了MXene在構筑新結構、高性能能源材料方面的巨大應用潛力。