二维Ti2C与Ti3C2表面OH、O、F、Au的吸附活性

较高的比表面积与稳定性使得二维Ti₂C与Ti₃C₂结构在贵金属催化剂载体、锂离子电池、储氢材料等领域具有重要的应用前景. 研究Ti₂C、Ti₃C₂的表面吸附活性有助于认识其表面特征. 第一性原理计算研究显示:Ti₂C与Ti₃C₂对O、OH、F具有较强的吸附活性. 通过比较Ti₂C、Ti₃C₂、Ti(001)、TiC(001)的表面电子结构, 我们发现Ti₂C与Ti₃C₂较强的表面吸附活性来自于表面Ti 原子未极化的3d轨道. 这使得Ti₂C、Ti₃C₂表面通常覆盖有O、F、OH. 吸附了O、OH基团的Ti₂C与Ti₃C₂结构(Ti₂CO_2-2x(OH)_2x、Ti₃C₂O_2-2x(OH)_2x)对Au原子的吸附能随OH比例的增大而增大.     

制备条件对MXene形貌、 结构与电化学性能的影响

以Ti₃AlC₂为原料, 采用LiF+HCl一步刻蚀-插层制备Ti₃C₂T_x, 进一步通过超声处理得到单层或少层的MXene. 利用X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)和电化学测试对样品的结构、 形貌和电化学性能进行了研究. 通过改变刻蚀剂的比例及超声剥离时间, 研究了不同刻蚀条件和剥离条件对二维晶体Ti₃C₂T_x的形貌、 结构和电化学性能的影响. 结果表明, 制备条件对MXene的片层结构和性能具有较大的影响. 当HCl浓度为6 mol/L, LiF与Ti₃AlC₂的摩尔比为7.5, 超声时间为1 h时, 所得MXene具有较小的晶格常数和较大的片层尺寸, 片层尺寸可达1 μm, 具有较多的表面含氧官能团, 电化学性能最佳, 在0.5 A/g的电流密度下, 质量比容量达到342 F/g, 当电流密度提高至20 A/g时, 质量比容量仍可保持244 F/g, 在1 A/g电流密度下循环10000周后, 容量仍能保留87%左右, 表现出较好的倍率性能与循环稳定性.     

TM@Ti2CTx电催化还原CO2:官能团诱导电子轨道重构与电荷转移(英文)

单原子催化还原二氧化碳制备可再生燃料和化工原料是一种有前途二氧化碳资源化技术.受MXene纳米片及其表面官能团调节的启发,本文利用不同的官能团(T=-O和-S)构建了Ti₂C基单原子电催化剂(TM@Ti₂CT_x,TM=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni),采用从头算量子化学方法,通过调控MXene表面官能团引起电子轨道重构和电荷转移,从而调控MXene基电催化剂的二氧化碳电催化性能.本文研究发现,氧官能团表面锚定的单原子催化剂(TM@Ti₂CO₂)能够显著活化CO₂.当CO₂分子吸附在TM@Ti₂CO₂表面上时,CO₂分子的轨道发生了重构,CO₂分子2π^*_u反键轨道劈裂,部分轨道与单原子的3d轨道结合沉入费米能级之下,导致CO₂分子发生形变.当CO₂分子吸附在TM...     

0/1/2维混合纳米形貌V2 O5的制备与储锂性能

以P123为结构导向剂,采用溶胶-凝胶法结合冷冻干燥技术制备了0/1/2维混合纳米形貌的正交相V₂O₅电极活性材料.利用XRD和SEM表征了样品的结构和形貌,通过循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗谱测试研究了样品的储锂性能.结果显示,这种0/1/2维混合纳米形貌V₂O₅具有较高的储锂容量、优异的电化学循环稳定性和出色的大倍率充放电性能,在1 A/g电流密度下循环500次后放电比容量稳定在117.5 mA·h/g,容量保持率为94.4%,在5 A/g大电流密度下,其放电比容量仍保持在88.2 mA·h/g,性能明显优于未添加P123制备的2D片状V₂O₅材料.     

石墨炔类结构储锂性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理的计算方法, 研究了石墨炔类结构的储锂性能, 结果表明, 石墨炔类体系是一种理想的储锂材料, 锂原子通过向衬底转移电荷而带正电, 彼此之间的库仑排斥作用避免了锂原子的团簇化. 通过比较石墨一炔到石墨五炔的储锂性能, 发现并不是炔键越多其储锂性能就越好, 还需考虑炔键的增多对结构稳定性的影响. 在保证石墨炔类结构稳定的前提下, 石墨二炔和石墨五炔达到LiC₃的最大储锂量.     

Fe2C晶体及低指数晶面的结构与稳定性研究

采用自旋极化的密度泛函理论(DFT)对正交与六方的Fe₂C晶体体相与表面性质进行了研究,计算了晶胞的聚合能、磁矩以及低指数晶面的表面能。研究结果表明,两种晶型Fe₂C 的磁性质相似,但正交堆积的Fe₂C比六方堆积的Fe₂C更稳定。正交晶系Fe₂C低指数晶面的稳定性以 (011) > (110) > (100) > (101) > (001) 顺序降低。对一系列碳化程度不同的碳化铁最稳定表面(Fe₂C(011)、Fe₃C(001)和Fe₄C(100))表面能的比较显示,碳化铁表面的相对稳定性与碳化度非线性相关。另外,与面心立方(BCC)铁最稳定表面(110)相比,Fe₂C、Fe₃C及Fe₄C晶体最稳定表面具有较低的表面能,表明铁表面碳化在热力学上是有利的。     

Nb2O5在t-ZrO2表面的分散状态与Brønsted 酸特征

以草酸铌为前驱物,四方相氧化锆（t-ZrO₂）为载体,通过浸渍法制备不同负载量的Nb₂O₅/t-ZrO₂催化剂.采用粉末X射线衍射（XRD）、激光拉曼光谱（LRS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等技术对t-ZrO₂表面Nb₂O₃分散状态进行表征;采用异丁烯（IB）与异丁醛（IBA）缩合生成2,5-二甲基-2,4-己二烯（DMHD）反应评价不同负载量的Nb₂O₅/t-ZrO₂的催化性能,采用吡啶吸附红外（Py-IR）光谱表征催化剂Bronsted酸中心特征.结果表明,由XRD定量相分析方法测定的Nb₂O₅在t-ZrO₂表面单层分散容量与"嵌入模型"预测值接近.Nb₂O₅/t-ZrO₂表面Bronsted酸中心特征与Nb₂O₅聚集状态密切相关.     

MXene-碳黑/硫复合材料在锂硫电池一体式电极的研究

锂硫电池的实际能量密度不高和多硫化物（LiPSs）的穿梭效应等问题严重影响了该电池的实际应用。本文通过将二维的Ti₃C₂T_x Mxene纳米片与碳黑/硫（CB/S）材料进行混合,制备了Ti₃C₂T_x-CB/S正极材料并将其涂覆在商业隔膜（PP）上,最终获得了Ti₃C₂T_x-CB/S-PP一体式电极并用于锂硫电池。利用Ti₃C₂T_x纳米片对CB/S进行修饰,不仅能提高活性物质硫的导电性,还能对扩散的LiPSs进行物理阻挡和化学吸附。而一体式电极的设计有利于提高电池的能量密度。恒流充放电测试结果表明,Ti₃C₂T_x-CB/S-PP电极在0.1 C电流下的初始放电容量为1028.8 mAh·g^-1,高于不含Ti₃C₂T_x的CB/S-PP电极的896.8 mAh·g^-1。Ti₃C₂T_x-CB/S-PP电极还展示出了比基于传统铝箔集流体的Ti₃C₂T_x-CB/S-Al电极更好的循环稳定性,前者在0.5 C下400圈长循环测试中的每圈衰减率为0.072%,而后者则为更高的0.10%。本文利用Ti₃C₂T_x-CB/S构建一体式电极的策略为实现高性能和高能量密度的锂硫电池提供了新的研究方向。     

聚苯胺改性Mxene复合材料对U(VI)的高效富集及机理研究

采用原位聚合法合成新型PANI/Ti₃C₂T_x有机无机复合纳米材料,并应用于对U（VI）的吸附去除研究.实验结果表明：整个吸附过程受溶液pH和离子强度影响较大,在pH=5.0,室温条件下PANI/Ti₃C₂T_x对U（VI）表现出较高的吸附容量（102.8 mg/g）,这一数值远远高于原始Ti₃C₂T_x对U（VI）的饱和吸附量（36.6 mg/g）.此外,结合傅立叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectrometry,FTIR）和X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）的分析结果表明PANI/Ti₃C₂T_x中含氧官能团和氨基基团与U（VI）发生络合作用,从而大大提高了其吸附性能.基于此研究,PANI/Ti₃C₂T_x可作为具有前景的复合材料应用于含U（VI）废水的净化中.     

基于一氧化碳、二氧化碳和氧气分子吸附为探针的碳化钼、碳化钨、氮化钼和氮化钨的表面化学性质：密度泛函理论分析

作为具有吸引力的电极材料,过渡金属碳化物与氮化物被应用在许多电化学储能及能量转换领域. 本工作中,通过密度泛函理论计算,以及一氧化碳 （CO）, 二氧化碳（CO₂）和 氧气（O₂）分子的吸附来表征钼和钨的碳化物及氮化物,如碳化钼（Mo₂C）、碳化钨（W₂C）、氮化钼（Mo₂N）和氮化钨（Mo₂C）的表面化学性质. 这些探针分子可为研究钼和钨的碳化物及氮化物表面在酸性/碱性的氧化还原性质提供衡量方法. 计算结果表明,CO₂分子的吸附发生在路易斯碱位,其碱性降低顺序为α-W₂C(001) > α-W₂N(001) > β-Mo₂C(001) > γ-Mo₂N(100). 此外,CO和O₂分子吸附可用于评估上述碳化物及氮化物的还原能力,其还原性减小顺序为β-W₂C(100) > α-Mo₂C(100) > α-W₂N(001) > α-W₂C(001) > β-Mo₂C(001) > γ-Mo₂N(100). 由于还原本性,使得上述这些碳化物和氮化物成为在各种催化反应中有可能取代贵金属的良好候选材料.     

Highly green fluorescent Nb2C MXene quantum dots for Cu2+ ion sensing and cell imaging

Niobium carbide MXene quantum dots (Nb₂C MQDs) derived from 2D Nb₂CT_x (MXene) are the rising-star material recently. Herein, a sulfur and nitrogen co-doped Nb₂C MQDs (S, N-MQDs) were synthesized through a hydrothermal method. The obtained Nb₂C MQDs have excellent green fluorescence with a quantum yield (QY) of 17.25%. In addition, they exhibited excitation-dependent photoluminescence, anti-photobleaching and dispersion stability. They emit light at 520 nm when excited at 390 nm. The Nb₂C MQDs could be successfully applied to copper ion detection with detection limit of 2 μmol/L and Caco-2 cells imaging.     

Atomic defects,functional groups and properties in Mxenes

MXenes,a new family of functional two-dimensional(2 D) materials,have shown great potential for an extensive variety of applications within the last decade.Atomic defects and functional groups in MXenes are known to have a tremendous influence on the functional properties.In this review,we focus on recent progress in the characterization of atomic defects and functional group chemistry in MXenes,and how to control them to directly influence various properties(e.g.,electron transport,Li⁺ adsorption,hydrogen evolution reaction(HER) activity,and magnetism) of 2 D MXenes materials.Dynamic structural transformations such as oxidation and growth induced by atomic defects in MXenes are also discussed.The review thus provides perspectives on property optimization through atomic defect engineering,and bottom-up synthesis methods based on defect-assisted homoepitaxial growth of MXenes.     

A novel nonaqueous route to V2O3 and Nb2O5 nanocrystals

The reaction between transition metal alkoxides and benzyl alcohol provides a novel soft chemistry route to metal oxide nanoparticles. The method allows the preparation of nanocrystals of two important transition metal oxides, namely V₂O₃ and Nb₂O₅. Although the reaction temperatures of 200–220 °C are comparably low, the obtained particles are highly crystalline. According to TEM investigations, the V₂O₃ crystals exhibit particle sizes between 20 and 50 nm, and the Nb₂O₅ crystals display platelet-like particle shapes with sizes of 50–80 nm, without any indications of amorphous character.     

二维M_2XO_(2-2x)(OH)_(2x)(M=Ti,V;X=C,N)析氢催化活性的第一性原理研究

MXene是一种新型的二维析氢催化材料,其表面容易被亲水基团O和OH混合覆盖。我们基于第一性原理计算的方法,研究了M_2XO_(2-2x)(OH)_(2x)(M=Ti,V;X=C,N)的析氢催化活性。计算结果显示,M_2XO_(2-2x)(OH)_(2x)的析氢催化活性与其表面OH覆盖率(X)密切相关。对Ti_2CO_(2-2x)(OH)_(2x)来说,OH覆盖率不超过1/3时,具有优异的析氢催化活性。对Ti_2NO_(2-2x)(OH)_(2x)、V_2CO_(2-2x)(OH)_(2x)和V_2NO_(2-2x)(OH)_(2x)来说,OH覆盖率分别达到4/9、1/3和5/9时,才具有最佳的析氢催化活性。接着,电荷分析显示OH覆盖率会显著影响M_2XO_(2-2x)(OH)_(2x)活性位点O基团的电荷量。最后,我们从态密度的角度揭示了析氢催化活性变化的原因,即活性位点O基团的氧化性随OH覆盖率的增大而被削弱。因此,本文提出了调节表面OH覆盖率来获取M_2XO_(2-2x)(OH)_(2x)最佳析氢催化活性状态的方法,这在工业制氢生产过程中具有重要的应用价值。     

Controlling the morphology,size and phase of Nb2O5 crystals for high electrochemical performance

Herein, the nano-sized niobium pentoxide (Nb₂O₅) with different morphologies and phase structures are synthesized through a very simple thermal treatment method, including the pseudohexagonal Nb₂O₅ nanosheets and pseudohexagonal Nb₂O₅ nanoparticles, orthorhombic Nb₂O₅ nanoparticles. The synthesized pseudohexagonal Nb₂O₅ nanosheets and orthorhombic Nb₂O₅ nanoparticles exhibit better cycling and rate performance than the pseudohexagonal Nb₂O₅ nanoparticles due to the different morphologies and phase structures.     

MXenes在水系锌离子电池中的应用研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)作为一种低成本、高安全的新兴且前景广阔的储能技术近年来备受关注。新型MXenes材料由于其独特的结构特征和物理化学性质,如易调节的二维结构、优异的导电性、化学组成多样和可控的表面化学特性,在AZIBs中表现出独特的应用优势。本文全面综述近年来MXenes在AZIBs中应用的研究进展,探讨MXenes应用于AZIBs正负极的结构设计及性能优化策略：在正极方面,MXenes可直接作为活性物质或活性物质前驱体、基体材料,以获得高活性、优异的循环寿命和倍率性能;在负极方面,MXenes可作为锌沉积的二维/三维载体、亲锌基体及锌金属界面保护层,以减缓电化学反应过程中锌金属的腐蚀和枝晶生长。此外,本文也对MXenes基材料在AZIBs中应用的发展方向进行展望。     

类水滑石Ti/Li/Al-LDHs的制备及其CO_2吸附性能

采用共沉淀法制备了一系列新型的类水滑石Ti/Li/Al-LDHs材料,通过原子吸收光谱(AAS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其进行了表征,研究了不同金属元素比例和焙烧温度对该Ti/Li/Al-LDHs材料的结构、形貌及其CO_2吸附性能的影响。结果表明,当Ti/Li/Al比为1∶3∶4时,水滑石Ti/Li/AlLDHs的结晶度最好,形貌最规整,而Ti/Li/Al比为1∶3∶2、300℃下焙烧后得到的Ti_1Li_3Al_2-LDHs_(300)的CO_2吸附性能最好。Ti_1Li_3Al_2-LDHs_(300)上CO_2吸附量可达53.5 mg/g,10次循环吸附后,CO_2吸附量仅下降了2.4%。