管 斌,劉鵬成,林紫鋒
(四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065)
2011年,美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi與Michel Barsoum首次報道了使用氫氟酸刻蝕Ti3AlC2-MAX相材料中的Al元素,制得二維Ti3C2Tx,并命名為MXene[1]。目前,MXene材料迅速發(fā)展成為種類豐富(大于30種)的一類二維過渡金屬碳/氮化物,其化學(xué)通式為Mn+1XnTx(n=1,2,3,4,5等),M代表過渡金屬元素(如Ti,V,Cr等),X為C或N,T代表表面官能團(tuán)(如—F,—Cl,—Br,—O和—OH等)[2]。MXene材料具有獨特的物理化學(xué)特性,如類金屬的導(dǎo)電性、高電化學(xué)活性、結(jié)構(gòu)組分可調(diào)等,因此在能源、光學(xué)、生物、傳感和電磁屏蔽等領(lǐng)域具有應(yīng)用,尤其是在電化學(xué)儲能領(lǐng)域被廣泛研究[2]。
2012年,Come等首次報道了Ti2CTxMXene作為鋰離子電池負(fù)極材料,可獲得160 mAh·g-1儲鋰容量[3]。隨后,Ti3C2Tx、V2CTx、Nb2CTx等二維MXenes被作為鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行研究[4-6]。同時,研究發(fā)現(xiàn),除了不同種類MXenes的電化學(xué)儲鋰性能具有較大差異,表面官能團(tuán)亦有重要影響[7]。Tang等通過理論計算發(fā)現(xiàn),將單層Ti3C2Tx納米片作為負(fù)極材料比石墨負(fù)極具有更低的鋰離子擴散勢壘,但氟和羥基官能團(tuán)會阻礙鋰離子遷移擴散,從而降低材料儲鋰性能[8]。此外,Kong等研究表明,真空煅燒去除部分官能團(tuán)能夠提升Ti3C2TxMXene的儲鋰性能[9]。
氫氟酸刻蝕制備得到的MXene均含有—F和—OH官能團(tuán)。2020年,Li等報道了路易斯酸熔鹽法制備二維MXene材料的新策略,制得的表面官能團(tuán)為O及鹵素(如Cl,Br,I等)的MXene材料[10],該方法制得的Ti2CTxMXene最高儲鋰容量可達(dá)280 mAh·g-1,且具有較高的倍率性能[11]。此前,Xie等通過理論計算表明,MXene的O端基官能團(tuán)更易吸附鋰,有益于提升材料的儲鋰性能[12]。為此,有必要闡明熔融鹽法制備MXene中鹵素與O官能團(tuán)對其儲鋰性能的影響。
為此,本文采用路易斯酸熔融鹽法制備含Br及O官能團(tuán)的Ti3C2TxMXene,并將其在氬氣氛圍下進(jìn)行300~900 ℃熱處理,對熱處理后的材料進(jìn)行表征分析,研究含Br及O官能團(tuán)的Ti3C2TxMXene材料的熱穩(wěn)定性及熱處理調(diào)控對其儲鋰性能的影響。
鈦碳化鋁(Ti3AlC2)粉末(<38 μm,純度99.99%,吉林省一一科技有限公司);無水溴化鎳(NiBr2)(分析純,上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司);溴化鈉(NaBr)(分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司);溴化鉀(KBr)(分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司);導(dǎo)電炭黑(Super P)(電池級,賽博電化學(xué));聚偏氟乙烯(PVDF)(分析純,賽博電化學(xué));N-甲基吡咯烷酮(NMP)(分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司);涂碳銅箔(賽博電化學(xué));隔膜(GF/A)(英國沃特曼);鋰離子電解液(1 mol·L-1LiPF6+EC/DEC)(南京莫杰斯能源科技有限公司);金屬鋰片(純度大于99.99%,天津中能鋰業(yè)有限公司)。
采用之前文獻(xiàn)報道的熔融鹽屏蔽法來制備Ti3C2TxMXene[12]。選擇Ti3AlC2MAX粉末作為前驅(qū)體,將KBr、NaBr混合作為鹽床,再將刻蝕劑NiBr2與鹽床在坩堝中混合均勻(物質(zhì)的量的比為n(Ti3AlC2粉末)∶n(NiBr2):n(NaBr)∶n(KBr)=1∶6∶10∶10.8);將Ti3AlC2粉末壓塊并放入坩堝底部,再將鹽床與刻蝕劑的混合物均勻平鋪在Ti3AlC2之上,蓋上蓋子;將坩堝放入馬弗爐(SXL-1700C,上海鉅晶精密儀器制造有限公司)中,以10 ℃·min-1的升溫速率加熱到750 ℃,保溫20 min,再冷卻到室溫;得到Ti3C2TxMXene、KBr、NaBr和Ni單質(zhì)的混合物產(chǎn)物,將產(chǎn)物溶于去離子水中,先用磁鐵除去帶磁性的金屬Ni單質(zhì),再用去離子水反復(fù)清洗、抽濾洗去產(chǎn)物中的鹽;最后,將得到的產(chǎn)物在60 ℃真空干燥箱(DZF-6020,深圳科晶智達(dá)科技有限公司)中干燥10 h以除去去離子水,即得到含Br官能團(tuán)的Ti3C2TxMXene粉末。將Ti3C2TxMXene粉末按質(zhì)量等分為5份,取其中4份分別在管式爐(BTF-1200C-R,安徽貝意克設(shè)備技術(shù)有限公司)Ar氛圍中以300,500,700,900 ℃的條件保溫30 min,將未經(jīng)熱處理的樣品標(biāo)記為Ti3C2Tx-RT,經(jīng)過熱處理的樣品分別標(biāo)記為Ti3C2Tx-300、Ti3C2Tx-500、Ti3C2Tx-700、Ti3C2Tx-900。
利用X射線衍射儀(DX-2000,丹東浩元儀器有限公司)測試分析Ti3C2TxMXene的晶體結(jié)構(gòu)。測試采用Cu Kα射線(λ=0.15406 nm),掃描范圍2θ=5°~90°。使用掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-7900F,北京市捷歐路科貿(mào)有限公司)和X射線能譜儀(EDS,Ultima MAX 65,英國牛津儀器)分析Ti3C2TxMXene的微觀形貌和元素成分。使用X射線光電子能譜儀(XPS,XSAM800,英國Kratos)和透射電子顯微鏡(TEM,Talos F200S,美國 Thermo Scientific)進(jìn)一步分析Ti3C2TxMXene樣品表面的化學(xué)狀態(tài)和元素成分,XPS分析過程中結(jié)合能的參比C 1s設(shè)為284.8 eV。
將Ti3C2TxMXene粉末、導(dǎo)電炭黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按質(zhì)量比8∶1∶1混合均勻,以NMP作為溶劑,將混合的漿料均勻涂到銅箔上,在90 ℃真空干燥箱(DZF-6020,深圳科晶智達(dá)科技有限公司)中干燥10 h以除去溶劑NMP,得到的電極片再沖孔制成直徑為12 mm的圓片,以此為工作電極;再選取金屬鋰片作為對電極和參比電極,GF/A作為隔膜,1 mol·L-1LiPF6+EC/DEC作為電解液,在氬氣手套箱中組裝成CR2030扣式半電池。使用電化學(xué)循環(huán)測試系統(tǒng)(CT-4008,深圳市新威爾電子有限公司)對半電池進(jìn)行恒流充放電循環(huán)測試;通過電化學(xué)工作站(Autolab M204,瑞士萬通中國有限公司)對半電池進(jìn)行循環(huán)伏安分析,電壓范圍為0.1~3 V。
圖1a為不同溫度熱處理前后Ti3C2TxMXene樣品的XRD圖譜。Ti3C2Tx-300的衍射峰與未熱處理Ti3C2Tx樣品的衍射峰相同,說明300 ℃熱處理之后物相并未發(fā)生顯著改變。Ti3C2Tx-500的XRD圖譜中Ti3C2TxMXene出現(xiàn)了銳鈦礦TiO2的衍射峰,說明500 ℃熱處理之后,Ti3C2TxMXene表面生成TiO2。由于熱處理是在惰性保護(hù)氣氛中進(jìn)行的,因此,TiO2可能是由Ti3C2TxMXene與其表面O官能團(tuán)反應(yīng)生成。Ti3C2Tx-700和Ti3C2Tx-900的XRD圖譜中同時出現(xiàn)了銳鈦礦TiO2和金紅石TiO2的衍射峰,并且隨著熱處理溫度的升高,銳鈦礦TiO2會向金紅石TiO2轉(zhuǎn)變,與文獻(xiàn)報道一致[13]。900 ℃熱處理后,Ti3C2TxMXene的衍射峰已經(jīng)完全消失,說明MXene結(jié)構(gòu)完全破壞,而TiO2衍射峰更加尖銳。
圖1 不同溫度熱處理前后Ti3C2Tx MXene材料的XRD圖譜(a)和SEM照片(b~f)Fig.1 XRD patterns (a)and SEM images (b~f)of Ti3C2Tx MXene before and after heat treatment at different temperatures
圖1b~1f為不同溫度熱處理前后Ti3C2TxMXene材料的SEM照片。其中Ti3C2Tx-300和未熱處理樣品相比微觀結(jié)構(gòu)并無明顯變化,保留了手風(fēng)琴層狀結(jié)構(gòu),說明300 ℃熱處理不會發(fā)生顯著氧化或結(jié)構(gòu)分解。在Ti3C2Tx-500、Ti3C2Tx-700、Ti3C2Tx-900的SEM照片中可明顯觀察到手風(fēng)琴狀Ti3C2TxMXene上氧化產(chǎn)生的TiO2顆粒,且隨著熱處理溫度升高,顆粒越多越大,即氧化程度越高,SEM分析結(jié)果與XRD分析結(jié)果一致。圖S1(見支撐材料)為熱處理前后Ti3C2TxMXene樣品元素EDS面掃圖譜,可見隨熱處理溫度增加Br元素亮度變?nèi)?,即含量減少。表1為各樣品EDS半定量分析的元素含量對比。當(dāng)熱處理溫度在300和500 ℃時,Br官能團(tuán)含量略微降低,說明此溫度下,Br官能團(tuán)脫附較慢;熱處理溫度達(dá)到或超過700 ℃后,EDS測試結(jié)果顯示未檢出Br,說明溫度達(dá)到或超過700 ℃時,Ti3C2TxMXene材料中的Br官能團(tuán)全部脫附。
表1 能譜分析不同Ti3C2Tx MXene樣品元素含量
圖2a為Ti3C2TxMXene材料熱處理前后的XPS全譜圖,可以看到O 1s、Ti 2p和C 1s信號在5個樣品中均有出現(xiàn),但Br 3p的信號在Ti3C2Tx-700、Ti3C2Tx-900中幾乎消失,進(jìn)一步說明700及900 ℃的熱處理會使Ti3C2TxMXene中Br官能團(tuán)大量脫附,這與能譜分析結(jié)果一致。圖2b~2d分別為Ti3C2TxMXene樣品對應(yīng)的Ti 2p、O 1s、Br 3d的XPS分譜圖。由Ti 2p和O 1s的分譜圖可以看出,隨著熱處理溫度升高,Ti—O鍵的信號不斷增強,說明氧化程度加劇,其中Al—O鍵是Ti3C2TxMXene刻蝕過程中樣品殘留的微量Al元素氧化導(dǎo)致。同時,Ti—C鍵的隨著熱處理溫度增加逐漸減弱至消失,說明高溫破壞了Ti3C2TxMXene結(jié)構(gòu),與XRD分析結(jié)構(gòu)一致。Br 3d的峰強度隨溫度升高明顯減弱,證明高溫能夠使Br官能團(tuán)脫附。
圖2 不同溫度熱處理前后Ti3C2Tx MXene材料XPS全譜(a),Ti 2p峰(b),O 1s峰(c),Br 3d峰(d)Fig.2 XPS spectra of Ti3C2Tx MXene before and after heat treatment at different temperatures:(a)the full spectra,(b)Ti 2p,(c)O 1s,(d)Br 3d
為進(jìn)一步確認(rèn)分析熱處理對Ti3C2TxMXene結(jié)構(gòu)的影響,對Ti3C2TxMXene及在300和500 ℃熱處理樣品進(jìn)行高分辨透射電鏡(high resolution transmission electron microscope,HRTEM)及選區(qū)電子衍射(selected area electron diffraction,SAED)測試分析,如圖S2(見支撐材料)所示,未熱處理及在300 ℃熱處理的樣品可見Ti3C2TxMXene典型結(jié)構(gòu),其中HRTEM測得(101)面層間距為約為0.26 nm,與XRD衍射結(jié)果一致,選區(qū)電子衍射斑點與文獻(xiàn)報道一致[14]。而500 ℃熱處理樣品中發(fā)現(xiàn)典型TiO2結(jié)構(gòu),進(jìn)一步確認(rèn)了TiO2的生成。
圖3a和3b為熱處理前后Ti3C2TxMXene材料的循環(huán)伏安(CV)曲線和恒流充放電(GCD)曲線,電壓區(qū)間均為0.1~3 V,循環(huán)伏安圖中掃速為0.5 mV·s-1,GCD曲線中電流密度為0.05 A·g-1。Ti3C2Tx-RT和Ti3C2Tx-300的CV曲線中無顯著氧化還原峰,而GCD曲線中無顯著充放電電壓平臺,2組樣品曲線形狀較為一致,容量相近,這是由于300 ℃熱處理樣品未發(fā)生顯著的物相及結(jié)構(gòu)變化。Ti3C2Tx-500、Ti3C2Tx-700及Ti3C2Tx-900的CV曲線中出現(xiàn)了明顯的氧化還原峰,與其GCD曲線中出現(xiàn)的電壓平臺相對應(yīng)。其中Ti3C2Tx-500的CV曲線在1.7和2.1 V的位置出現(xiàn)了氧化還原峰,分別對應(yīng)銳鈦礦TiO2發(fā)生嵌鋰和脫鋰的過程[15],Ti3C2Tx-700和Ti3C2Tx-900的氧化峰從2.1移動到2.3 V,是因為700和900 ℃時銳鈦礦TiO2開始向金紅石TiO2轉(zhuǎn)變。此外,Ti3C2Tx-500及Ti3C2Tx-700出現(xiàn)充放電平臺后,其儲鋰容量增加,說明由TiO2儲鋰貢獻(xiàn)額外容量。但Ti3C2Tx-900儲鋰容量降低,或是由于MXene結(jié)構(gòu)完全破壞,從而大大降低了導(dǎo)電性能。
圖3 熱處理前后Ti3C2Tx MXene材料在0.5 mV·s-1掃速下的循環(huán)伏安曲線(a),在0.05 A·g-1電流密度下的恒流充放電曲線(b),不同電流密度下容量曲線(c),1 A·g-1下的長循環(huán)性能以及庫倫效率(d)Fig.3 Electrochemical tests of Ti3C2Tx MXene before and after heat treatments:(a)cyclic voltammetry curves at 0.5 mV·s-1,(b)galvano charge-discharge profiles at a current density of 0.05 A·g-1,(c)specific capacities at different current densities,(d)long cycling performance at current density of 1 A·g-1 for 800 cycles
圖3c為熱處理前后Ti3C2TxMXene材料在不同電流密度下比容量對比曲線。在經(jīng)過300 ℃熱處理后,Ti3C2Tx-300的最大比容量以及倍率性能對比Ti3C2Tx-RT均有提升,此時儲鋰性能的提升是由于Br官能團(tuán)的脫附提升了MXene導(dǎo)電性能,同時提供了額外儲鋰位點。由表2可見,Ti3C2Tx-RT、Ti3C2Tx-300、Ti3C2Tx-500、Ti3C2Tx-700、Ti3C2Tx-900在0.05 A·g-1電流密度下的放電比容量分別為183.0,192.4,214.8,241.9及99.8 mAh·g-1。700 ℃熱處理后的Ti3C2TxMXene具有最大放電比容量,這是因為Br官能團(tuán)大量脫附使Ti3C2Tx-MXene儲鋰性能提升,同時產(chǎn)生的TiO2貢獻(xiàn)部分容量。Ti3C2Tx-700相比未經(jīng)過熱處理的Ti3C2Tx-RT,在0.05 A·g-1時的放電比容量提高了32.2%。但由于生成的TiO2導(dǎo)電性較差,影響Ti3C2TxMXene材料的倍率性能,因此當(dāng)電流密度大于1 A·g-1時,Ti3C2Tx-500和Ti3C2Tx-700的容量相比Ti3C2Tx-300會略微降低,但仍優(yōu)于Ti3C2Tx-RT。圖3d為熱處理前后Ti3C2TxMXene材料在1 A·g-1下的長循環(huán)性能及庫倫效率。Ti3C2Tx-300、Ti3C2Tx-500和Ti3C2Tx-700在700個循環(huán)周期后分別表現(xiàn)出96.7,92.8和102.5 mAh·g-1的儲鋰容量。相比之下,未經(jīng)熱處理的Ti3C2Tx-RT僅為85.3 mAh·g-1,略低于經(jīng)過熱處理的樣品。然而,過度氧化處理的Ti3C2Tx-900出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞的情況,其儲鋰容量僅為56.4 mAh·g-1。在長循之后儲鋰容量有所提升,或是MXene電極在循環(huán)過程中發(fā)生片層剝離,從而導(dǎo)致容量增加,與文獻(xiàn)報道一致[11]。各樣品長循環(huán)性能較為穩(wěn)定,所有樣品的庫倫效率均接近100%,說明樣品具有較好的可逆性。
表2 不同熱處理前后Ti3C2Tx MXene材料在不同電流密度下的容量對比
綜上所述,本文采用路易斯酸熔鹽法刻蝕制備了含Br及O官能團(tuán)Ti3C2TxMXene,并在Ar氛圍下進(jìn)行不同溫度熱處理,并研究了其儲鋰性能。通過表征和測試結(jié)果分析得出如下結(jié)論。
(1)影響Ti3C2TxMXene儲鋰性能的主要有2個因素:Br官能團(tuán)的脫附量和TiO2的含量。
(2)熱處理能夠使Ti3C2TxMXene中的Br官能團(tuán)迅速脫附同時生成TiO2,從而提升儲鋰性能,但溫度過高可能會導(dǎo)致MXene結(jié)構(gòu)破壞,降低導(dǎo)電性能,從而降低Ti3C2TxMXene的儲鋰性能。
(3)當(dāng)熱處理溫度為700 ℃時,Ti3C2TxMXene表面Br官能團(tuán)大量脫附并被O官能團(tuán)原位氧化生成少量TiO2,但大多MXene結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞,因此具備最佳的儲鋰性能。
本研究闡明了熱處理對MXene儲鋰性能的影響,對提升其電化學(xué)性能具有一定參考價值及科學(xué)意義。
支撐材料:http://www.mat-china.com//oa/darticle.aspx?type=view&id=202208020