【摘 要】
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二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物—MXenes材料最开始是由美国Drexel大学的Gogotsi教授和他的团队发现和提出的。MXenes是其前驱体MAX相中的A元素(这里指Al元素)被选择性刻蚀掉而形成层片状结构的二维材料。因此MXenes的通式为Mn+1XnTx,其中M代表早期过渡元素(主要是ⅢB~ⅥB的元素),X代表C或N,Tx代表表面官能团(例如:-OH,-O和-F),n取1~3。因其特
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二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物—MXenes材料最开始是由美国Drexel大学的Gogotsi教授和他的团队发现和提出的。MXenes是其前驱体MAX相中的A元素(这里指Al元素)被选择性刻蚀掉而形成层片状结构的二维材料。因此MXenes的通式为Mn+1XnTx,其中M代表早期过渡元素(主要是ⅢB~ⅥB的元素),X代表C或N,Tx代表表面官能团(例如:-OH,-O和-F),n取1~3。因其特殊的结构和性质,使得MXenes在储能领域研究非常广泛,尤其是在作为超级电容器电极使用时表显出卓越的电容性能。由于Mo2TiC2Tx具有双过渡元素的有序相结构,在MXenes的超级电容器应用中具有广阔的应用前景。本文主要以研究d-Mo2TiC2Tx的电化学性能为导向,研究了其前驱体Mo2TiAlC2 MAX相的制备工艺以及d-Mo2TiC2Tx的刻蚀、插层、分层工艺。最后对所制备的d-Mo2TiC2Tx进行质量比电容、循环性能以及交流阻抗等电化学性能的相关测试。测试结果均显示出d-Mo2TiC2Tx具有良好的电化学性能。其次研究了 Mo2Ti2AlC3和Ta4AlC3两种413类型的MAX相的烧结工艺,为下一步研究做基础。具体的研究过程及结论如下:(1)Mo2TiAlC2烧结工艺:将摩尔比为Mo:Ti:Al:C=2:1:1.2:2配置的混合粉末,冷压成型后在1450℃的真空氛围中保温1h,之后随炉温冷却可以得到单一相的Mo2TiAlC2相,对其进行SEM微观形貌表征看出Mo2TiAlC2具有典型的层状陶瓷形貌。(2)d-Mo2TiC2Tx制备工艺:使用1g的Mo2TiAlC2相粉末放入20ml的48%~51%的HF酸溶液中,在50℃的水浴锅中搅拌刻蚀60h,得到多层的Mo2TiC2Tx。在XRD图谱显示只有少量Mo2TiAlC2相的存在。将多层的Mo2TiC2Tx经过TBAOH插层得到悬浮液抽滤干燥获得多层或少层的d-Mo2TiC2Tx粉末。对得到的d-Mo2TiC2Tx粉末进行SEM和TEM表征均能证明单层或少层d-Mo2TiC2Tx的存在。(3)d-Mo2TiC2Tx的电化学性能测试:通过三电极测试系统测得其电化学性能。使用循环伏安法(CV)测得d-Mo2TiC2Tx的CV曲线表现出双电层电容特性,在2mV·s-1和5mV.s-1的质量比电容分别为62.21F.g-1和59.39F·g-1。使用恒电流充放电(GCD)测得在电流密度为0.5A.g-1时质量比电容为34.44F·g-1。奈奎斯特图可以看出d-Mo2TiC2Tx作为电极材料具有较小的等效串联电阻和更大的活性表面,循环测试还显示出d-Mo2TiC2Tx良好的电容保持率和使用稳定性。(4)Mo2Ti2AlC3和 Ta4AlC3烧结工艺:使用原始摩尔比为 Mo:Ti:Al:C=2:2:1.2:2.7配置混合粉末,在1 550℃下保温1h后随炉温冷却,可以得到单一相的Mo2Ti2AlC3相;使用原始摩尔比为Ta:Al:C=2:1.2:1进行配置混合粉末,在1400℃下保温1h后随炉温冷却后可以得到单一相的Ta4AlC3相。
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