二维M2C(M=Ti或V)的氧化行为及其产物的锂电性能研究

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MXene以其特有的二维结构和组成的多样性近年来受到了广泛的关注,其在二次离子电池、超级电容器等储能领域具有十分广阔的应用前景。在目前已合成的20多种MXenes中,只有Ti3C2被广泛系统地研究,而对其它MXenes的研究尚不深入。理论计算表明V2C和Ti2C相较Ti3C2呈现更高的储锂比容量,然而这两种MXene具有化学不稳定的特点以及低的实验容量。因此本论文以V2CTx和Ti2CTx(Tx表示表面官能团)作为研究对象,探究不同腐蚀方法对电化学性能的影响规律,研究不同表面改性条件下两种材料组成与结构的变化,建立结构与电化学性能之间的构效关系。本文首先采用了无压烧结合成V2AlC,然后利用HF酸以及HCl+NaF混合体系刻蚀V2AlC,对得到的V2CTx进行退火处理以及水热氧化处理,此外对Ti2CTx MXene进行了水热氧化处理。通过XRD、SEM、XPS分别表征了产物的物相、形貌、价态变化,测试了相关产物的锂电性能。结果如下:(1)采用无压烧结合成V2AlC,摩尔比V:Al:C=2:1.1:1.0,在氩气气氛1500℃烧结4 h得到纯度较好的V2AlC。采用了HF酸在25℃以及50℃下刻蚀V2AlC,结果表明在25℃下刻蚀7天得到层间距较大且分层效果较好的V2CTx,而在50℃下获得的样品层间距略小且样品表面易被氧化。采用HCl+NaF经90℃刻蚀7天后获得了高纯的V2CTx。HF酸刻蚀和HCl+NaF刻蚀得到的样品在0.1 A g-1的电流密度下循环100次,放电比容量分别为248 mAh g-1,266 mAh g-1。在1 A g-1的电流密度下循环1000次后,可逆比容量分别为94 mAh g-1,58 mAh g-1。对比而言,HCl+NaF刻蚀的所得样品在较大的电流密度下循环性能较差。(2)对HF酸刻蚀得到的多层V2CTx进行退火处理,结果表明经600℃退火处理能够有效去除了表面的氟元素,但退火产物中有V2O3和Al2O3生成,退火处理后样品的电化学性能相比于处理前较差。通过双氧水辅助水热氧化V2CTx,结果表明样品表面生成了VO2。当V2CTx的加入量为0.2 g,双氧水的浓度约为0.17 wt%,将水热产物作为锂离子电池负极,在0.1 A g-1的电流密度下循环100次后放电比容量达317 mAh g-1,性能有了明显增强。(3)在纯水以及碱性LiOH溶液水热氧化Ti2CTx,结果表明在纯水体系中Ti2CTx转变为层状锐钛型TiO2,当水热温度为120℃时,所得样品表现出较好的性能,在1 A g-1的电流密度下循环500次可逆比容量达101 mAh g-1。在碱性LiOH溶液体系中,经过水热和煅烧,Ti2CTx转变为层状Li4Ti5O12,其中水热温度为150℃,在550℃煅烧的样品呈现较好的电化学性能,在1A g-1的电流密度下循环500次可逆比容量达126 mAh g-1
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