研究摘要
二維過渡金屬碳化物和氮化物（MXene）作為二維材料的新興成員，由於其金屬導電性和可加工性，在能量轉換/存儲、光/電子學、電磁干擾屏蔽等領域受到了廣泛關注。層間分子、表面基團和界面化學對調控MXene的性質具有重要意義。例如，由不同插層劑插層得到的單層MXene，電導率會相差幾個數量級；不同的表面基團可以調控MXene的態密度和電子結構。然而，目前報道的絕大多數工作都致力於調控Ti3C2Tx MXene，而關於其他MXenes（除了Ti3C2Tx）的表面化學調控工作雖然意義重大，但是鮮有報道，具有挑戰性。
成果簡介
我最愛你的一剎那給你打電話你沒接，等你看到來電提醒再打回來的時候很可能我就不愛你了。——暖小團
近日，電子科技大學肖旭團隊圍繞MXene的表面和界面調控關鍵科學問題取得了階段性的進展，在兩個月內連續在Nature Communications雜誌上發表2篇文章。肖旭團隊提出利用低溫共晶路易斯鹼性鹵化物中存在大量的自由陽離子和陰離子，MXene表面的-F基團通過親核反應可以被熔融鹽中的去溶劑化的鹵素離子取代（處理後的MXene命名為LB-MXene），同時陽離子插入到層間擴大層間距。該方法可以同時實現MXene層間距和表面基團的調控。對於MXene在光電子、能源等領域的應用具有重要的意義。
通過調控共晶熔融鹽AlBr3-NaBr-KBr中AlBr3的比例，熔融鹽體系可以實現從路易斯酸性到路易斯鹼性的跨越，只有路易斯鹼性條件下可以含有大量的自由的去溶劑化Br離子。共晶熔融鹽中去溶劑化的鹵素離子通過親核反應參與基團取代。在基團取代之後，陽離子電荷補償，進一步擴大MXene的層間距。鹵素基團取代和陽離子（大量去溶劑化的Na+和K+）插層的協同作用是層間距增大的原因。此方法適用於各種MXenes，包括32/43相MXenes，單/雙MXenes，以及HF或者路易斯酸刻蝕合成的MXenes。
該成果在線發表於國際頂級期刊Nature Communications上，題目為：Simultaneously tuning interlayer spacing and termination of MXenes by Lewis-basic halides。
圖文導讀
圖1.LB-Ti3C2Tx的製備與表徵。a, LB-Ti3C2Tx的製備原理圖。經路易斯-鹼性鹵化物處理後，Ti3C2Tx被去溶劑化的Na+和K+插層，導致層間間距增大。同時，表面的-F基團被去溶劑化的鹵素陰離子取代。b，去溶劑化的Br離子和F基團之間的親核取代過程。c-d，多層Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx的掃描電鏡。比例尺為1 μm。e，多層Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx的XRD譜圖。f，原子分辨率高角度環形暗場(HAADF) TEM圖像及其原子排列。比例尺為1納米。g, LB-Ti3C2Tx的能譜元素分析(線掃描)。h, Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx的高分辨率Br 3d XPS光譜。
圖2.a-c, 不同比例的AlBr3/NaBr/KBr熔融鹽中物質成分組成。d-e，不同比例的AlBr3/NaBr/KBr熔融鹽處理的LB-Ti3C2Tx的XRD圖譜和高分辨率Br 3d XPS譜。f，不同比例的AlBr3/NaBr/KBr熔融鹽處理的LB-Ti3C2Tx中溴基團含量和層間距的變化趨勢。
圖3.a, d, g, Nb4C3Tx, Mo2Ti2C3Tx和Ti3C2Tx-I在路易斯鹼性鹵化物處理前後的SEM圖像。比例尺1 μm。b, e, h, Nb4C3Tx, Mo2Ti2C3Tx和Ti3C2Tx-I在路易斯鹼性鹵化物處理前後的XRD譜圖。c, f, i, Nb4C3Tx, Mo2Ti2C3Tx和Ti3C2Tx-I的高分辨率XPS光譜。
圖4.a，掃描速率為2 mV s-1時，Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx的CV曲線。b, Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx在不同掃描速率的容量對比。c, LB-Ti3C2Tx在不同電流密度下的容量。d, LB-Ti3C2Tx在3A g-1下的循環穩定性。
總結
綜上所述，本文提出利用低溫共晶路易斯鹼性鹵化物中存在大量的自由陽離子和陰離子這一特點，MXene表面的-F基團通過親核反應可以被熔融鹽中的去溶劑化的鹵素離子取代，同時陽離子插入到層間擴大層間距。該方法適用於各種MXenes，，包括32/43相MXenes，單/雙金屬MXenes，以及HF或者路易斯酸刻蝕合成的MXenes。本文的方法為設計MXenes的界面和表面化學提供了一種策略， MXenes以外的二維材料也可能由此方法調控，值得進一步研究。
文獻鏈接
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34569-y
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