纳微结构MXene（Ti2C/Ti3C2）材料的可控制备与储锂性能基础研究

The layered ternary carbides and nitrides named “MXenes”(M=Ti, V, Cr, Ta, Nb, Zr, Mo, Hf, X=C, N) are kinds of two dimensional materials. The novel structure is similar with graphene material. It has exhibited great potential in a variety of applications especially in electrode materials due to their unique combination of metallic and ceramic properties. Ti2C and Ti3C2 with a special nano-micro structure is designed, and it is synthesized through a “chemical etching-mechanical exfoliation-hydrothermal self-assembly” method by using Ti2AlC and Ti3AlC2 as raw material. The reaction mechanism, structure characteristics, microstructure control, electrochemical performance and Li+ storage mechanism are going to be studied. This research will clarify the reaction mechanism, the relationship between structure properties and the electrochemical performance, and to acquire the Li+ storage performances and the mechanism of kinetics of Li+ extraction/insertion process.

MXenes（M为过渡金属元素Ti、V、 Cr、 Ta、Nb、Zr、 Mo、 Hf，X为C或N）是一类新型二维纳米层状结构材料，结构与石墨烯类似，且具有优异的电子和离子传输性能，在锂离子电池中表现出巨大的应用前景。本项目以质量较轻的Ti2C和Ti3C2为研究对象，提出设计兼具微米和纳米粒子特性的“纳微结构”，以Ti2AlC和Ti3AlC2为基体，通过“化学刻蚀-机械剥离-水热自组装”合成出由Ti2C或Ti3C2纳米片构成微米球的“纳微结构”材料。重点研究制备过程反应机理，建立制备过程对微观结构的作用机制；解明材料的复杂结构特点，剖析电化学性能，得到材料结构与性能的“构效关系”。通过研究电极过程动力学及带电粒子传输性能，阐明新型纳微结构材料Ti2C和Ti3C2的储锂机理，为研究新型锂离子电池负极材料提供相关技术原型和理论参考。

商用石墨负极材料由于容量较低，已无法满足日益增长的市场需求。硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、钒（V）等元素及其化合物由于其高比容量，被寄予厚望。MXenes（M为过渡金属元素Ti、V、Cr、Ta、Nb、Zr、Mo、Hf，X为C或N）作为一类新型类石墨烯二维层状结构材料，由于具有优异的电子和离子传输性能，在电化学储能领域表现出巨大的应用前景。本项目以Ti3AlC2为基体材料，通过“化学刻蚀-机械剥离-液相自组装”合成出了多层和单层Ti3C2纳米片，研究了合成过程机理，剖析了其独特的二维结构。研究结果表明：采用HF酸刻蚀MAX相材料更易制得大层间距的多层MXene材料，利于提供大的层间表面空间，以负载高容量纳米材料；采用HCl+LiF更易从表面剥离稳定的单层或少层的MXene纳米片。将制得的Ti3C2纳米片与硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、钒（V）纳米颗粒及其氧化物进行复合，设计出了兼具微米和纳米粒子特性的“纳微结构”复合负极材料，并对其电化学性能进行了研究，结果表明：制备的Ti3C2Tx/Sn/SnOx复合材料在50mAg-1电流密度下循环200圈后仍能保持594.2mAhg-1的放电比容量；Ti3C2/GeOX复合材料在5C倍率放电时，放电容量仍高达724mAhg-1。本研究结果将为MXENE材料在锂/钠离子电池中的应用提供相关理论参考和技术原型。