【材料】原位同步辐射技术揭秘MAX材料的熔盐刻蚀过程

2023-06-05 16:03:55 作者：X-MOL资讯来源：X-MOL资讯分享至：

Lewis酸性熔盐法是有效刻蚀MAX材料，制备具有可控表面端基MXenes的通用合成策略。MAX在刻蚀过程中的相演变化学研究对于MXenes领域的发展至关重要，前期由于原位表征技术的限制，我们对于熔盐刻蚀过程中的关键步骤及其复杂性缺乏清晰的认识。近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼团队通过联合上海光源，发展了适用于研究高温熔盐刻蚀过程的原位同步辐射X射线衍射（SRXRD）设备和技术，清楚的揭示了Nb₂GaC MAX在熔盐环境下的相演变过程，并提出了通过精确温度和时间调节实现最佳刻蚀的可控合成方法。

二维过渡金属碳化物或氮化物（MXenes）由于其独特的层状结构、表面化学和成分多样性，在能量存储和其他领域中展现出了巨大的应用潜力。迄今为止，已报道了155多种MAX相和几十种MXenes。通常情况下，MXenes是通过选择性刻蚀其MAX相中的A层而产生的，呈现出具有过渡金属碳化物/氮化物层的六方晶体结构。最近，熔盐法已发展成为一种普遍策略，可有效地去除MAX相中的A层，从而产生具有可调表面化学的手风琴状MXenes。然而，熔盐蚀刻并非完全可控，由于反应过程不明确，大多数实验参数通常是经验性设定的。尽管该领域的研究人员致力于研究真实过程，以实现该熔盐蚀刻方法的高效性和可控性，但由于苛刻的熔盐反应条件、涉及反应中阴离子和阳离子的复杂相演化以及缺乏原位技术来探测这种反应过程，目前仍未取得重大研究突破。

中国科学技术大学合肥光源宋礼教授团队联合上海光源的X射线衍射站，开发了原位同步辐射X射线衍射方法，用于动态研究Lewis酸熔盐蚀刻过程。揭示了Lewis酸熔盐蚀刻过程中的关键步骤，包括Nb₂GaC的晶格膨胀过程；Nb₂GaC到Nb₂CuC的超快速相变过程；Nb₂CT_x和Nb₂CuC的共存期；Cu原子的快速提取形成Nb₂CT_x MXenes；Cl基团嫁接引起的层间膨胀以及过度蚀刻过程。这些步骤的揭秘为优化蚀刻条件提供参考，有助于新的MAX相和高质量MXenes的可控合成。此外，通过调节熔盐法后处理过程中的反应时间，揭示了Nb₂CT_x从六角晶体到无定形相的相演化过程。本研究提出了具有良好形貌和优异导电性的无定形p-Nb₂CT_x作为Li⁺存储的电极材料，它表现出高倍率性能、优异的比容量和长循环能力，同时，揭示了电化学反应过程中含Cl表面膜的动态演变。通过开发实时同步辐射X射线衍射技术，揭秘了MAX材料的熔盐刻蚀过程，这对于发展先进的MAX和MXenes材料具有重要意义。

图1. 用于在线监测Lewis酸性熔盐蚀刻过程的原位同步辐射X射线衍射方法，以及刻蚀过程中的关键反应步骤。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是中国科学技术大学博士研究生魏世强和张鹏军。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Operando Exploring and Modulating Phase Evolution Chemistry from MAX to MXenes in Molten Salt Synthesis

Shiqiang Wei¹, Pengjun Zhang¹, Wenjie Xu, Shuangming Chen, Yujian Xia, Yuyang Cao, Kefu Zhu, Qilong Cui, Wen Wen, Chuanqiang Wu, Changda Wang*, and Li Song*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 10681–10690, DOI: 10.1021/jacs.3c01083

王昌达博士简介

王昌达，国家同步辐射实验室，副研究员。2019年博士毕业于中国科学技术大学国家同步辐射实验室，2020年获得中科院优秀博士论文，2021年获中国科学技术大学“墨子杰出青年特资津贴”一等资助，2021年获国家留学基金委资助前往瑞典MAX IV光源近常压光电子能谱站访问。致力于同步辐射表征技术的发展和二维能源材料的电化学储能研究。近年来，通过原位X射线衍射谱、吸收谱和近常压光电子能谱等技术，发展了层状二维材料合成的新方法并从原子、电子层面揭示电化学储能过程。

宋礼博士简介

宋礼教授，博士生导师，2006年博士毕业于中科院物理研究所，随后在德国慕尼黑大学、美国莱斯大学和日本信州大学开展研究工作，历任洪堡学者、博士后和副教授。2011年加入中国科学技术大学国家同步辐射实验室。国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技领军人才、中科院优秀导师和唐立新优秀学者。长期致力于同步辐射技术及应用研究。近年来，依托同步辐射大科学装置，针对电化学能源储存与转化中的精准表征问题，研制了多种在线实验平台和数据分析新方法，实现了同步辐射多技术的联用，从原子、电子和离子等层面上揭示了电化学能源储存与转化过程和工作机制。迄今，共计发表 SCI 论文300余篇，被引用32000余次，个人H因子92，连续入选科睿唯安2019-2022 年全球高被引科学家。近五年，以通讯作者发表论文60 余篇，包括Nat. Energy、Nat. Sustain.、PNAS、Nat. Commun.、Adv. Mater.等，授权发明专利5项，应邀为Materials Today等期刊撰写10余篇综述论文。目前担任中国物理学会同步辐射专业委员会委员、《核技术》与《中国光学》及《Nano Research Energy》编委、《Nano Research》与中国物理学会四刊联合青年编委等。

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