新型MXene材料的合成及其表面与硫作用机制研究

Two dimensional transition metal carbides (MXenes) have unique binary layer structure, tunable semiconducting and metal-like conducting behavior, excellent surface chemical affinity, and high-temperature structure stability which lead to the potential application in the energy storegy, catalysis, aborsoption/seperation and reinforcement structural materials. Current project will develop a new delamination strategy to synthesis of novel transition metal carbides, such as ScC、ZrC、HfC、YC and LuC. These new MXenes can no synthesized through the traditional delamination process from MAX phases containing Al atom sublayer because of their parent layer stuctures have otherwise Al4C3-like sublayers. The trasition metals are wellknown for their profilic electron configuration, and the corresponding MXenes are capable to be alloy mixing in the M site by theirselves. Therefore, it is requisite to systematically study the interaction with sulfer on these MXenes which will provide solide knowledge for their potential application in the S-containing energy device. In this project, the theoretic silmulation will also be employed to predict and select the optimized composition/structure of MXenes.

二维前过渡金属碳化物材料（MXene）是一族新型低维材料，是由剥离母体三元陶瓷MAX相中的Al亚层而来，具有独特的二元层状结构、可调谐的半导体和金属导电特性、良好的界面化学相容性和高温结构稳定性等特点，受到诸如储能、催化、吸附分离、结构增强等学科领域的关注。本课题将对一类具有Al4C3亚层单元的三元层状材料进行剥离，拟发展出一系列新型前过渡金属碳化物单晶二维材料，如ZrC、HfC、ScC、YC和LuC等。考虑到前过渡金属丰富的外层电子结构及MXene多元材料的组分可调特点，本课题在实验上通过材料表面研究（如红外傅里叶光谱、光电子能谱和拉曼光谱等）和锂硫电池电极研究相结合，并辅以理论计算模拟，深入揭示该类二维材料表面同硫原子的相互作用特性，形成完备的材料制备-表征评价-器件评估-理论分析的研发链，从而为MXene二维材料在储能等领域的应用研究提供理论基础。

MXene是一类新型二维材料，由刻蚀三元陶瓷MAX相中的A层原子而来。MXene具有丰富的元素构成和可调谐的物理化学性质，受到诸如储能、催化、吸附分离、结构增强等学科领域的关注。发展先进刻蚀方法，合成更多具有新颖结构的MXene材料以扩展其应用性质是研究领域的关键问题和挑战。本项目的主要研究内容和意义如下：（1）基于固溶法调谐单胞内亚层的思路，合成了新型Hf2[Al(Si)]4C5和Hf3[Al(Si)]4C6固溶体材料。以此固溶体为前驱体，首次合成得到了Hf系MXenes材料，并揭示Hf系MXene的作为储能器件的巨大应用潜力；（2）合成了类MAX相结构的ScAl3C3前驱体，选择性刻蚀ScAl3C3相中的Al-C亚层获得了二维全钪系碳化物ScCxOH，并揭示了其作为光电器件的应用潜力。（3）研究了Ti3AlC2等系列MAX相与熔盐的相互作用机制，利用MAX相与熔盐的原子交换合成得到了系列新型MAX相材料，全面丰富了MAX相的元素构成，为进一步合成新型MXene提供了更多选择。（4）利用MAX相与路易斯酸熔盐的相互作用，合成得到了系列具有新型卤素基团的MXene材料，极大提高了实验过程的安全性，并降低废液处置难度与成本，有望进一步推动MXene 材料在能源存储、催化化工和生物诊断等领域的研究进展。（5）研究了过渡金属碳化物与硫族化合物的相互作用机制，以FeS作为固态硫源与过渡金属碳化物进行反应，成功合成了中熵(Ti, Zr, Hf)2SC相，并探讨了其合成机理，为通过MAX相结构调控理化性能提供了可能。