钛基MXene材料的合成及电化学应用调研开题报告

1. 研究目的与意义

二维材料是一大类材料的统称，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度（1-100nm）上自由运动的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱等。二维材料一般由单层或少数层原子或者分子层组成。层内一般由共价键或离子键结合，作用力较强；而层间由范德瓦耳斯力结合，作用力较弱。二维材料因其独特的2d结构，使载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，从而具有奇特的特性与功能。单层二维材料的表面原子几乎完全裸露，相比于体相材料，其原子利用率大大提高，通过厚度控制和元素掺杂，就可以更加容易地调控能带结构和电学特性。二维材料主要有以下三个优势：1、更利于化学修饰，可以调控催化和电学性能。2、更利于电子传递，有利于电子器件性能的提升。3、柔性和透明度高，在可穿戴智能器件、柔性储能器件等领域前景诱人。

石墨烯是最典型也是最早实验证明的二维材料，2004年, k. s. novoselov等人通过机械剥离的方法，从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯, 且证明了其独特优异的电学性质。自此之后, 以石墨烯为代表的二维材料获得了快速的发展, 新的二维材料如雨后春笋般涌现，其中的mxene近年来才见诸报道。这些二维材料因其特有的层状结构，成为了科研界一颗新星，被广泛应用于复合材料增强体、电化学储能、高效散热器、触摸屏等方面。近年来，能源和环境问题开始受到全世界关注，随着不可再生资源的日益匮乏，解决二次储能问题已成为当务之急，在电化学领域中，最近的研究表明，二维mxenes材料有望成为锂离子电池、锂离子电容器的新型电极材料。

与石墨烯结构类似，mxene材料是一类只有单个或几个原子厚度的二维过渡金属碳化物或氮化物晶体。max相的结构通式为：m_{n 1}ax_n，其中n为1、2或者3(即m₂ax、m₃ax₂和 m₄ax₃ 等)，m为早期过渡金属（sc、ti、v、cr、zr、nb、mo、hf 和 ta 等），a为主族元素 (主要是Ⅲ和Ⅳ族元素，al、si、ga等），x 是c或者n。在制备方面,现有的mxene材料制备主要是围绕刻蚀max相前驱体的思路进行开发,属于从上而下法(top-down)，它们主要是通过选择性刻蚀掉max相前驱体中“a”制得的。目前，max相已有70多种，而成功合成的mxene材料仅20余种,还有更多种类的mxene材料等待进一步的研究。钛基mxene材料是目前报道的mxene材料中最常见的一种。在2011年，naguib等人首先通过湿化学刻蚀的方法，即将 max相粉末浸泡在氢氟酸中，开创性地发现了第一种mxene——ti₃c₂，随后，采取类似方法，ti₂c、nb₂c、v₂c等mxene也相继制得。

2. 研究内容和预期目标

对二维mxene材料是一种由max相材料刻蚀制备的新型二维层状过渡金属碳/氮材料，其优异的导电性能以及类石墨烯的层状结构使其在电化学性能表现出不俗的研究前景。本论文拟将钛基mxene材料与mos₂材料复合，并将复合材料用于电学性能的测试。具体研究内容包括：

（1）在钛基mxene材料基质上生长mos₂纳米片，构筑复合材料；

（2）在mos₂/c基质上生长mxene构筑复合材料；

3. 研究的方法与步骤

常见mxene方法除了酸液刻蚀方法外，还有一些方法如利用碱溶液刻蚀max相得到mxene，还有利用cvd方法合成出mxene。

本实验使用的方法和步骤如下：

(1)在前驱体ti₃alc₂中加入一定浓度的氢氟酸hf，40℃下浸泡48h后进行离心，调至ph 6~7，马弗炉中烧样后记为样品1。

4. 参考文献

[1]杨雨晴. 碳化钛/过渡金属氧化物复合材料的合成及其储能性能[d]. 陕西：陕西科技大学，2017（5）

[2]姚送送, 李诺, 叶红齐, 韩凯. 二维 mxene材料的制备与电化学储能应用[j].化学进展，2018, 30 (7)：932-946.

[3]张留贤. mxene基材料的制备及其性能研究[d]. 河南：河南师范大学, 2018（3）

5. 计划与进度安排

(1)第1周~第4周，查阅资料制定实验方案与计划，准备开题报告；外文论文翻译，论文前言部分的撰写；

(2)第5周~第8周，合成钛基mxene材料ti₃c₂以及mos₂/ti₃c₂复合材料；对材料进行xrd、sem等表征；并探索材料制备条件对材料结构的影响；

(3)第9周~第12周，将所得材料组装成电池，测定样品的电化学性能，并比较不同材料性能的差异；