表面带有-O和-F官能团的Ti2C MXene纳米片合成及实验探究(含电化学性能测试)-UDP糖丨MOF丨金属有机框架丨聚集诱导发光丨荧光标记推荐西安齐岳生物

我们制造了表面带有-O和-F官能团的Ti2C MXene纳米片，用于锂氧气电池正极催化剂获得了的电催化活性，并利用一性原理理论计算，研究了不同表面条件下ORR/OER的反应路径与催化活性。DFT计算表明，与Ti2CF2表面相比，Ti2CO2表面作为主要催化位点为Li2O2的吸附成核-分解过程提供了的单电子反应途径，而Ti2C的裸露表面由于与Li2O2的强化学键结合导致催化能力降低。此外，不均匀的表面条件被认为会放电产物的极化成核和生长，垂直于片层方向累积的纳米薄片形成多孔结构的放电产物，从而为电子与离子传输提供了途径。

如图所示，利用刻蚀-剥离-退火法获得了具有表面具有-O和-F官能团的Ti2C MXene纳米片，剥离前的样品显示出手风琴状的堆叠结构，其平均厚度超过500nm。而处理后Ti2C MXene厚度显着降低，这样可以获得更大的比表面积并提供更多的活动位点。XRD结果验证了对Al的成功刻蚀，且（002）峰明显左移表明Mxene相的形成与晶面间距增大紧密相关。XPS结果表明，对于Ti2C MXene获得了由-O和-F基团为主且几乎没有表面的混合表面条件。

图1. （a）Ti2C MXene的合成过程示意图; Ti2C Mxene的（b）SEM图像、（c）TEM图像、（d）HRTEM图像和对应的SAED图案; （e）前体Ti2AlC MAX、 Ti2C MXene剥离前和热处理前后的XRD图谱；（f）Ti2C MXene剥离前和热处理前后的XPS全谱；热处理后Ti2C MXene的高分辨率XPS光谱：（g）Ti 2p，（h）C 1s，（i）O 1s和（j）F 1s。

电化学性能测试

Ti2C Mxene正极的CV曲线表现出更高的峰值电流和较大的积分面积，表明具有更好的催化活性和更大的比容量，EIS结果表明Ti2C MXene的Rct值（34.3Ω）低于扩层前样品的Rct值（43.6Ω）并且在CV循环之后Rct值略有增加。Ti2C Mxene正极在100 mA g-1的电流密度下可提供15635.0 / 14145.2 mAh g-1的放电/充电容量，库仑效率为90.5％。Ti2C MXene电极在电流密度分别为100、200、500和800 mA g-1时分别显示出15635.0、12670.6、6585.2和5879.5 mAh g-1的比放电容量，远大于扩层前样品。当限定600 mAh g-1的比容量时，Ti2C Mxene正极在不同电流密度下都表现出稳定的循环性能。

图2.（a）在2.35和4.35 V之间的0.1 mV s-1扫速下不同样品的CV曲线；（b）Ti2C MXene和扩层前样品的EIS光谱；（c）KB、Ti2C MXene和扩层前样品在100 mA g-1时的初始放电/充电曲线；（d）Ti2C MXene在2.35至4.35 V电压范围内的不同电流密度下的充放电曲线；Ti2C MXene在（e）200和（f）500 mA g-1时固定容量为600 mAh g-1时的循环性能；（g）在600 mAh g-1的特定容量**下，Ti2C MXene和扩层前样品以不同电流密度循环的放电/充电终端电压。

充放电过程探究

不同阶段的SEM、XRD和EIS结果揭示了放电产物形貌和结构演变，**观察到沿空间方向累积的纳米薄片，随着放电程度加深形成多孔放电产物，而充电至1000 mAh g-1后放电产物基本消失，露出Ti2C MXene的表面。多次循环后的XRD谱和EIS图表明可逆性好，副反应少。高结晶放电产物Li2O2的形成和完全分解有助于Ti2C Mxene正极在锂氧电池中保持的循环性能。

图3. Ti2C Mxene电极在对应于的不同阶段的SEM图像：（a）原始，放电至（b）100 mAh g-1，（c）4放电100mAh g-1，（d）首次充电后。（e）在循环过程中不同阶段的Ti2C MXene阴极的XRD图谱和（f）电化学阻抗。

DFT理论计算

根据DFT计算和实验结果，锂氧电池中Ti2C MXene的活性中心主要是Ti2CO2，其中Li2O2的形成通过单电子反应途径进行，并且生成LiO2作为中间体。尽管很难通过实验制造出均一的富氧表面，但不均匀的Ti2C MXene表面会影响放电产物的形核和生长。放电产物的成核将主要在Ti2CO2活性位点进行，并在放电的初始阶段导致放电产物在空间方向上积累，并形成多孔结构。与在均匀表面上形成薄膜状放电产物不同，在Ti2C MXene上形成放电产物是一种极化成核过程。