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MXene型碳化钒，特别是V2CTx型碳化钒，在从能量存储、传感到电子和光学等诸多领域都有应用前景。然而，在过去的十年中，由于分层的V2CTx在胶体状态下的不稳定性，有关V2CTx的研究大多局限于其多层形态。在本文中，报道了温和的合成条件，从而得到高质量的V2CTx和离子交换过程，将MXene在水悬浮液中的保质期增加了大约3个数量级，从几个小时到几个月。讨论了蚀刻和分层机制，并为研究人员提供了一个指导方针与MXene组成。解释了蚀刻剂配方、分层化学品和后处理对合成的V2CTx的质量、化学稳定性和光电性能的影响。在离子交换和絮凝过程中，四丁基铵和四甲基铵离子被锂离子取代。分层后的V2CTx产生的沉淀物不仅可以悬置几个月而不降解，还可以重新分散并加工成薄膜。这些MXene薄膜在光学和电子性能上有明显的改善。它们在干燥状态下的电导率可以超过1000 S cm-1，这是之前V2CTx无法达到的值。在本工作中，V2CTx的货架寿命和性能的主要改进，有望使这种MXene的性能的基础研究，并大大扩大其潜在的应用范围。建议的方法可能适用于其他需要使用季胺进行分层的MXenes。
图 1. (a) MXene合成工艺示意图。(b) HF蚀刻法和混合酸合成法制备的V2AlC MAX和多层V2CTx的XRD谱图。(c)洗涤后第一个上清(绿色)的光学图像。(d) V2AlC MAX相，(e) HF蚀刻的多层V2CTx， (f)混合酸蚀刻的多层V2CTx的SEM图像。
图2 (a)分层的d-V2CTx溶液(稀释后)。TBA-V2CTx薄片(b) HF蚀刻和(c) HF/HCl蚀刻在阳极氧化铝(AAO)上的SEM图像。(d) TBA-V2CTx (HF和HF/HCl蚀刻)和TMAV2CTx的DLS测量和(e)紫外可见测量。
图 3. (a) TBA-V2CTx (HF蚀刻)和(b) TMA-V2CTx (HF/HCl蚀刻)真空滤膜的光学图像。(c) TMA-V2CTx真空过滤膜截面的SEM图像。(d) TBA-V2CTx (HF和HF/HCl)和TMA-V2CTx (HF/HCl蚀刻)的XRD谱图。
图4。 (a) HF蚀刻TBA-V2CTx和氧化V2CTx溶液的紫外可见光谱。(b)每隔1小时采集的原始HF/HCl TBA-V2CTx的紫外可见光谱显示氧化。TMA-V2CTx (HF/HCl蚀刻)薄膜(c)取自原始溶液，(d)取自保存1个月的溶液(保存在充满氩气的小瓶中)，(e)取自干燥后在空气中保存1个月的原始溶液。
图5。(a)离子交换程序示意图。(b) LiCl絮凝的d-V2CTx溶液。(c)两种样品TBA-V2CTx、TMAV2CTx和Li-V2CTx的XRD谱图。这些样品均为混合酸合成后的真空过滤薄膜。(d)使用不同层间离子(TBA+、TMA+、Li+)的真空过滤V2CTx薄膜的电导率测量。
图6。(a) HF蚀刻的V2CTx和HF/HCl蚀刻的V2CTx的紫外可见光谱在不同的时间保持絮凝。(b)浓缩和(c)稀释的Li-V2CTx溶液在147天后再分散。(d) 147天溶液真空过滤后的Li-V2CTx膜。
图7 (a)大量TMA-V2CTx溶液，(b)絮凝的Li- V2CTx溶液，(c) Li- V2CTx气凝胶，(d) Li- 增加MXene浓度的V2CTx/PVA水凝胶，以及(e)喷涂在玻璃上的Li-V2CTx溶液。 相关科研成果由美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi等于2021年发表在Chemistry of Materials (https:///10.1021/acs.chemmater.1c03508)上。原文：Guidelines for Synthesis and Processing of Chemically Stable Two- Dimensional V2CTx MXene。 |
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