电化学 Yury Gogotsi 固溶MXenes的可调节电化学性能显微镜|mv|拉曼光谱

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合成并研究了双金属固溶体MXenes（Ti2-yNbyTX和V2-yNbyTX；0 < y < 2）。
固溶体MXenes的电容特性和循环稳定性直接取决于它们的组成。
随着 Nb 含量的增加，氧化还原峰强度降低，而循环稳定性增加。
该研究为通过调整M位化学来调整MXenes的电化学性质提供了指导。
MXenes是具有超高比电容的有前途的赝电容材料。目前，已经通过实验合成了超过30种化学计量的MXene组合物和大约20种固溶体。然而，大多数研究都集中在Ti3C2TX或其他一些单M MXenes上，对固溶体MXenes的电化学性质知之甚少。在此，合成了两组铌基固溶体MXenes（Ti2-yNbyTX和V2-yNbyTX；0 ≤ y ≤ 2），并研究了它们的电化学性质对结构中M元素比例的依赖性。确定了化学性质与电荷存储能力之间的关系，包括水性质子电解质中的电容特性和循环稳定性。氧化还原峰的突出与循环稳定性之间存在反比关系；后者随着铌含量的增加而增加。例如， Ti2CTX在20000次循环后的电容保持率小于1% ，而Ti0.4Nb1.6CTX则为78% 。该研究表明，可以通过调整MXene结构中过渡金属的比例来控制MXenes的电化学性能。
图1. (a)具有不同离散成分的含铌固溶体MXenes（Ti2-yNbyCTX和V2-yNbyCTX）示意图。 (b) Ti1.6Nb0.4CTX薄片的透射电子显微镜(TEM)图像。 (c) Ti1.6Nb0.4CTX薄膜横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。 Ti2-yNbyCTX的X射线衍射（XRD）图（d）和拉曼光谱（e），具有不同Nb含量的V2-yNbyCTX的XRD图（f）和拉曼光谱（g）。
表1. Ti2-yNbyCTX和V2-yNbyCTX的(002)峰位置和d间距。

	Ti2?yNbyCTX
y	0	0.4	0.8	1.2	1.6	2
(002) Peak (°)	9.66	9.26	9.24	9.12	8.67	6.96
d-spacing (?)	9.1	9.5	9.6	9.7	10.2	12.7
	V2?yNbyCTX
y	0	0.4	0.8	1.2	1.6	/
(002) Peak (°)	7.23	6.84	6.99	5.85	6.51	/
d-spacing (?)	12.2	12.9	12.6	15.1	13.6	/

【电化学|Yury Gogotsi 固溶MXenes的可调节电化学性能】图2. Ti2?yNbyCTX的循环伏安曲线（从（a）到（f）：y = 0、0.4、0.8、1.2、1.6和2）在3 M H2SO4电解液中以扫描速率获得从5 mV/s到1000 mV/s 。
图3. (a) Ti2-yNbyCTX的比电容与扫描速率的函数关系。 (b) Ti2?yNbyCTX在200 mV/s时的循环稳定性。
图4.在不同扫描速率下获得的V2?yNbyCTX的CV曲线（从（a）到（e）：分别为y = 0、0.4、0.8、1.2和1.6）。
图5. (a) V2-yNbyCTX的比电容与扫描速率的函数关系。 (b) V2?yNbyCTX在200 mV/s时的循环稳定性。
4.材料和方法
4.1.材料
Ti（99.5% ， -325目）， V（99.5% ， -325目）， Al（99.5% ， -325目）， C（石墨， 99% ， -325目）和TiC（99.5% ，通常为2 μm)粉末来自Alfa Aesar ， Nb（99.99% ， -325目）来自Beantown Chemical ，用于MAX相合成。氯化锂（LiCl ， 99%）、氢氟酸（HF ， 48.5 -51%）和四甲基氢氧化铵（TMAOH ， 25 wt%）来自Acros Organics ，氟化锂（LiF ， 98.5%）来自阿法埃莎和盐酸（HCl ， 36.5-38%）来自Fisher Chemical ，用于合成MXene 。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。
4.2. MAX相的合成
用于制备双金属固溶体MAX相、Ti、V、Nb、Al和C粉末（Ti:Nb:Al:C和V:Nb:Al:C的原子比为2-y:y:1.1：0.9 ，对于Ti2?yNbyAlC和V2?yNbyAlC ， y = 0、0.4、0.8、1.2、1.6和2)与10 mm氧化锆球以2:1的球/粉比混合，放置在塑料罐和球中-以50 rpm研磨18 h 。随后，将前体粉末混合物放入氧化铝坩埚中并转移到高温管式炉（Carbolite Gero）中。 Ar鼓泡用于在加热前吹扫管子1 h ，并在整个合成过程中保持。将炉子以3℃/min的速率加热到1550℃ ，保温2 h ，然后以3℃/min的速率冷却至室温。然后，将它们用TiN涂层铣刀研磨并筛分至小于75 μm 。