新型锆/铪/钪系二维碳化物的合成、微观结构与性能研究
文献类型：期刊论文
| 作者 | 周洁 |
| 刊名 | 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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| 出版日期 | 2017 |
| 页码 | 119 |
| 关键词 | Mxenes 选择性刻蚀 合成 二维材料 碳化物 密度泛函 电化学性能 |
| 产权排序 | 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) |
| 英文摘要 | 原子尺度层厚赋予二维材料高比表面积、独特的电子结构及物理化学性质,近十年来引起了人们的广泛关注。二维过渡金属碳化物及氮化物(MXenes)则是自2011年发展起来的一类新型二维材料,其组成丰富、性质可调,在储能、电磁屏蔽、复合材料、离子吸附、生物传感及催化领域有良好的应用前景。但目前绝大多数MXenes材料是通过选择性刻蚀含A位为Al的MAX相中的Al层而获得,由于Zr,Hf,Sc,Y等过渡金属难以形成A位为Al的MAX相,因此目前尚未有相应MXenes的报道。发展新型过渡金属碳化物前驱体,探索新的刻蚀机理及方法以合成具有新组成与结构的二维碳化物对拓展MXenes材料化学、可控合成、结构多样性及潜在应用具有重要意义。(1)在室温下的HF水溶液中选择性刻蚀层状Zr_3Al_3C_5中的Al_3C_3单元合成了新型Zr系二维材料,Zr_3C_2T_z MXene(T=O,F,OH)。研究了HF浓度及刻蚀时间对Zr_3Al_3C_5刻蚀行为的影响。结合第一性原理理论计算研究了Zr_3C_2T_z MXene的结构参数、弹性常数及电子结构。O,F以及OH饱和的Zr系MXene均呈金属性,其中O官能团饱和的Zr_3C_2O_2力学强度最高,其c_(11)值达393 GPa。比较研究了Zr_3C_2T_z和Ti_3C_2T_z MXenes的高温结构稳定性,Zr_3C_2T_z MXene具有更好的维持本征二维特性的能力,Ti_3C_2T_z MXene则局部发生相转变及自发氧化,结合理论计算对结合能的研究揭示了该差异的根源。Zr_3C_2T_z MXene有望应用在高温及复合材料领域。(2)研究了三元Hf-Al-C体系在HF水溶液中的刻蚀行为,较强的Hf-C及Al-C亚层界面结合导致Hf-C单元出现结构坍塌转变为立方相HfC纳米晶。基于固溶法调谐单胞内亚层界面的思路在Al位置引入少量Si合成了高相纯度Hf_3[Al(Si)]_4C_6固溶体,在HF水溶液中选择性刻蚀[Al(Si)]C亚层首次获得了Hf系二维碳化物,Hf_3C_2T_z(T=O,F,OH)MXene。理论研究表明,固溶Si原子具有比Al原子更多的原子电荷,降低了Hf-C及Al(Si)-C亚层界面的粘结能,显著弱化了Hf-C及Al(Si)-C亚层的界面结合进而促成了选择性刻蚀。理论预测Hf_3C_2T_2均呈现金属性、良好的导电性(10~6?~(-1)m~(-1))及高平面内力学强度。剥离态d-Hf_3C_2T_z MXene负极材料在锂离子及钠离子电池中呈现高体积容量、良好循环稳定性及倍率性能。200 mA g~(-1)电流密度下循环200圈后可分别获得1567 mAh cm~(-3)和504 mAh cm~(-3)的可逆体积比容量,是潜在的电极材料,特别是应用到尺寸效应占主导的领域。具有丰富电子组成的Hf系MXene还有望在催化及电磁干扰屏蔽等领域获得应用。(3)以Sc/Al/C元素粉为原料在1600℃经原位SPS方法合成了ScAl_3C_3层状前驱体。ScAl_3C_3在含氟化物溶液中因Sc与F较强的亲和性促使其最终转化为ScF_x。在室温下的TMAOH有机碱液中选择性刻蚀Al_3C_2亚层首次获得Sc系二维碳化物,ScCOH。理论及实验研究表明合成的ScCOH具有宽带系半导体特性和软磁特性。理论研究预测对于最稳定构型的ScCOH,电子上下自旋对应的能隙分别为2.78 eV和0.931 eV,磁矩为2 uB/cell。借助CL谱技术,多层ScC(OH)及单层或几层结构的d-ScC(OH)均呈现发光峰波长约490 nm的CL发射,对应带隙2.53 eV。ScCOH的室温磁滞回线呈现软磁特性,剩磁1.63E-3 emu g~(-1),矫顽力约200 Oe。合成的ScCOH磁性半导体有望拓展二维过渡金属碳化物在光电子器件及磁电子器件领域的应用。 |
| 公开日期 | 2018-12-04 |
| 源URL | [http://ir.nimte.ac.cn/handle/174433/16689]  |
| 专题 | 2017专题 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周洁. 新型锆/铪/钪系二维碳化物的合成、微观结构与性能研究[J]. 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),2017:119. |
| APA | 周洁.(2017).新型锆/铪/钪系二维碳化物的合成、微观结构与性能研究.中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),119. |
| MLA | 周洁."新型锆/铪/钪系二维碳化物的合成、微观结构与性能研究".中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) (2017):119. |
入库方式： OAI收割
来源：宁波材料技术与工程研究所
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