中國科學(xué)院金屬研究所高性能陶瓷研究部王曉輝課題組在拉曼光譜識別二維碳化物MXene表面官能團(tuán)方面有新的進(jìn)展。通過拉曼光譜的原位測量結(jié)合計(jì)算模擬(castep模塊)實(shí)現(xiàn)拉曼峰的識別，闡明了MXene高電容產(chǎn)生的根源，研究結(jié)果發(fā)表在ACS Nano上。(ACS Nano 2016, 10, 11344−11350)

　　第一原理計(jì)算結(jié)合原位電化學(xué)拉曼光譜揭示MXene贗電容產(chǎn)生根源

　　近年來，隨著對石墨烯的不斷研究和認(rèn)識，人們逐步意識到二維材料在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中的巨大潛力，這也打開了發(fā)掘更多二維材料的大門。MXene是一種新型過渡金屬碳/氮化物二維晶體，具有和石墨烯類似的結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為Mn+1XnTx，其中 n = 1、2、3，M為早期過渡金屬元素，X 為碳或氮元素，T 為表面攜帶的-OH、-O或-F等官能團(tuán)。 這一類材料可以通過氫氟酸剝離層狀陶瓷材料 MAX 相獲得，具有優(yōu)異的力學(xué)、 電子、 磁學(xué)等性能，特別在電化學(xué)超級電容器應(yīng)用方面尤為突出。

　　諸多文獻(xiàn)報(bào)道了MXene在以H2SO4 水溶液為電解液制備的超級電容器中的優(yōu)異性能，卻都未曾明確地闡明為什么選擇H2SO4 作為電解液。最近，中國科學(xué)院金屬研究所的王曉輝研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過原位電化學(xué)拉曼表征方法揭示了以Ti3C2Tx 為代表的MXene在H2SO4電解液中具有超高電容量的本質(zhì)所在。該團(tuán)隊(duì)通過前期的晶格動力學(xué)研究(CASTEP模塊)，論證了不同官能團(tuán)對MXene穩(wěn)定性和鍵合特性的影響，發(fā)現(xiàn)Ti3C2Tx的拉曼光譜嚴(yán)重依賴官能團(tuán)的種類，由此可以根據(jù)拉曼光譜識別官能團(tuán)種類(Phys. Chem. Chem. Phys.17, 9997−10003, 2015)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合拉曼光譜快捷、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，研究了Ti3C2Tx MXene在不同的電解液(H2SO4、(NH4)2SO4、MgSO4)中充放電過程的拉曼光譜變化，發(fā)現(xiàn)其在H2SO4電解液中的變化很明顯，而在其余兩種電解液中幾乎沒有變化。通過對拉曼峰位的比對，發(fā)現(xiàn)在H2SO4中MXene 實(shí)現(xiàn)了由Ti3C2(OH)2向Ti3C2O(OH)的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變正是由于氫離子的存在所導(dǎo)致的，這也說明在H2SO4中Ti3C2Tx是以發(fā)生氧化還原反應(yīng)的這種贗電容行為來存儲電荷，從而獲得比較高的電容量。這也為MXene在未來的電容器研究方面開辟了新的研究思路。這一研究成果發(fā)表于《ACS nano》上(ACS Nano, 10, 11344−11350, 2016)。

　　此外，作為電極材料，良好的導(dǎo)電性也是實(shí)現(xiàn)高性能的前提條件。通過第一原理方法計(jì)算多層MXene的堆垛體的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面，預(yù)測了其電子電導(dǎo)的各向異性，并通過原位測量單顆粒MXene獲得本征導(dǎo)電屬性，證實(shí)了導(dǎo)電的各向異性(Sci.Rep.5, 16329,2015)。這種導(dǎo)電各向異性的手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)還可能會在傳感器領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。

　　中國科學(xué)院金屬研究所高性能陶瓷研究部王曉輝課題組長期致力于層狀納米陶瓷材料和電化學(xué)儲能材料。研究領(lǐng)域涉及三元層狀MAX相可加工導(dǎo)電陶瓷、二維MXene和鋰離子電池正極材料LiFePO4。課題組近期代表性工作還有: Nano Letters (16, 795−799, 2016), Phys. Chem. Chem. Phys. (18, 20256−20260, 2016), ChemNanoMat (3, 292−297, 2017)。

　　課題組依托于沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室，歡迎具有化學(xué)、物理、材料等知識背景的本科生、研究生、博士后加入。課題組主頁：http://www.synl.ac.cn/org/high/zi/field.htm