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Nico-LDH/ti3c2 MXene hybrid materials for lithium ion battery with high-rate capability and long cycle life

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Journal of Energy chemistry 2020年第11期29卷 143-153页

作者： Rui Zhang Zhe Xue Jiaqian Qin Montree Sawangphnjk Xinyu Zhang Riping Liu State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology Yanshan UniversityQinhuangdao 066004HebeiChina Research Unit of Advanced Materials for Energy Storage Metallurgy and Materials Science Research InstituteChulalongkorn UniversityBangkok 10330Thailand centre of Excellence for Energy Storage Technology(cEST) Department of Chemical and Biomolecular EngineeringSchool of Energy Science and EngineeringVidyasirimedhi Institute of Science and TechnologyRayo ng 21210Thailand

Nickel/cobalt-layered double hydroxides(Ni co-LDH) have been attracted increasing interest in the applications of anode materials for lithium ion battery(LIB), but the low cycle stability and rate performance are still limited its practice applications. To achieve high performance LIB, the surface-confined strategy has been applied to design and fabricate a new anode material of Nico-LDH nanosheet anchored on the surface of ti3c2 MXene(Ni co-LDH/ti3c2). The ultra-thin, bended and wrinkled α-phase crystal with an interlayer spacing of 8.1 ? can arrange on the conductive substrates ti3c2 MXene directly, resulting in high electrolyte diffusion ability and low internal resistance. Furthermore, chemical bond interactions between the highly conductive ti3c2 MXene and Ni co-LDH nanosheets can greatly increase the ion and electron transport and reduce the volume expansion of Nico-LDH during Li ion intercalation. As expected,the discharge capacity of 562 m Ah g-1 at 5.0 A g-1 for 800 cycles without degradation can be achieved,rate capability and cycle performance are better than that of Nico-LDH(~100 mAh g-1). Furthermore, the density function theory(DFT) calculations were performed to demonstrate that Ni co-LDH/ti3c2 system can be used as a highly desirable and promising anode material for lithium ion battery.

关键词： MXene ti3c2 Nico-LDH Lithium ion battery First-principles calculation

高暴露(001)面BiOBr/ti3c2复合光催化剂的制备及其可见光催化性能

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无机材料学报 2020年第11期35卷 1247-1254页

作者：李志锋谭杰杨晓飞蔺祖弘郇正来张婷婷北京化工大学化学工程学院北京100029 北京市环境污染控制与资源化工程研究中心北京100029

通过水解法合成具有高暴露(001)面的BiOBr/ti3c2复合光催化剂,利用不同手段对样品进行表征。以罗丹明B为目标污染物,评价了不同样品的可见光催化性能。结果表明,层状ti3c2添加量为20.0wt%时,BiOBr/ti3c2复合光催化剂在60 min内对罗丹明... 详细信息

通过水解法合成具有高暴露(001)面的BiOBr/ti3c2复合光催化剂,利用不同手段对样品进行表征。以罗丹明B为目标污染物,评价了不同样品的可见光催化性能。结果表明,层状ti3c2添加量为20.0wt%时,BiOBr/ti3c2复合光催化剂在60 min内对罗丹明B的降解效率为97.1%,比BiOBr的降解效率提高了34.7%。引入层状ti3c2使得BiOBr与ti3c2界面形成肖特基结能垒,产生有效的电子陷阱抑制了光生电子–空穴对的复合,从而大大提高了BiOBr的可见光催化活性。BiOBr/ti3c2复合光催化剂经5次循环实验后,降解效率仍保持在91.0%,表明其具有良好的稳定性。活性物种捕获实验表明,超氧自由基为罗丹明B可见光催化降解中的主要活性物种,并据此提出了可能的光催化机理。

关键词： BiOBr ti3c2 可见光催化肖特基结

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宏量制备层状ti3c2及其超级电容的性能

材料研究学报 2020年第11期34卷 861-867页

作者：杨占鑫吴琼任奕桥屈凯凯张哲豪仲为礼范广宁齐国超辽宁工业大学材料科学与工程学院锦州121001

将钛粉、铝粉、石墨粉和少量锡粉混合,用原位烧结技术宏量制备高纯度前驱体材料ti3Alc2,再以浓氢氟酸为刻蚀剂进行选择性刻蚀,改变刻蚀时间宏量制备出层间距可调节的层状剥离ti3c2。使用X射线衍射和场发射扫描电子显微镜分别表征了ti3A... 详细信息

将钛粉、铝粉、石墨粉和少量锡粉混合,用原位烧结技术宏量制备高纯度前驱体材料ti3Alc2,再以浓氢氟酸为刻蚀剂进行选择性刻蚀,改变刻蚀时间宏量制备出层间距可调节的层状剥离ti3c2。使用X射线衍射和场发射扫描电子显微镜分别表征了ti3Alc2和ti3c2的结构和层间距微观形貌,并对用ti3c2制成的电极进行了电化学性能测试分析。结果表明,相比其它在相同条件下制备的电极其比容量大幅度提高,且具有良好的超级电容性能。

关键词：材料合成与加工工艺 ti3Alc2 ti3c2 选择性刻蚀比容量

In situ construction of protonated g-c3N4/ti3c2 MXene Schottky heterojunctions for efficient photocatalytic hydrogen production

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chinese Journal of catalysis 2021年第1期42卷 107-114页

作者： Haotian Xu Rong Xiao Jingran Huang Yan Jiang chengxiao Zhao Xiaofei Yang School of Materials Science&Engineering Jiangsu UniversityZhenjiang 212013JiangsuChina college of Science Institute of Materials Physics and ChemistryNanjing Forestry UniversityNanjing 210037JiangsuChina Key Laboratory for Photonic and Electronic Bandgap Materials Ministry of EducationSchool of Physics and Electronic EngineeringHarbin Normal UniversityHarbin 150025HeilongjiangChina

converting sustainable solar energy into hydrogen energy over semiconductor-based photocatalytic materials provides an alternative to fossil fuel ***,efficient photocatalytic splitting of water to realize carbon-free hydrogen production remains a *** photocatalysts with well-defined dimensionality and perfectly matched interfaces are promising for achieving highly efficient solar-to-hydrogen ***,we report the fabrication of a novel type of protonated graphitic carbon nitride(PcN)/ti3c2 MXene heterojunctions with strong interfacial *** expected,the two-dimensional(2D)PcN/2D ti3c2 MXene interface heterojunction achieves a highly improved hydrogen evolution rate(2181μmol∙g‒1)in comparison with bulk g-c3N4(393μmol∙g‒1)and protonated g-c3N4(816μmol∙g‒1).The charge-regulated surfaces of PcN and the accelerated charge transport at the face-to-face 2D/2D Schottky heterojunction interface are the major contributors to the excellent hydrogen evolution performance of the composite photocatalyst.

关键词： g-c3N4 ti3c2 Hybridization Schottky heterojunction Protonation Photocatalytic hydrogen production

Remarkable surface-enhanced Raman scattering of highly crystalline monolayer ti3c2 nanosheets

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Science china Materials 2020年第5期63卷 794-805页

作者： Yuting Ye Wencai Yi Wei Liu Yun Zhou Hua Bai Junfang Li Guangcheng Xi Institute of Industrial and consumer Product Safety Chinese Academy of Inspection and QuarantineBeijing 100176China School of Physics and Physical Engineering Qufu Normal UniversityQufu 273165China college of Science Chinese Jiliang UniversityHangzhou 310018China

As a powerful non-destructive and label-free detection technology,surface-enhanced Raman scattering(SERS)has been widely used in environmental-pollutant detection,biological-tissue sensing,molecular fingerprint analysis and so *** from the traditional SERS substrates represented by noble metals and semiconductors,herein,we report a new highly sensitive SERS substrate material with high stability,biocompatibility,and low cost,namely nucleusfree two-dimensional electron gas(2DEG)ti3c2 monolayer *** highly crystalline monolayer ti3c2 nanosheets with clean surface are synthesized by an improved chemical exfoliation and microwave heating *** unique structure of nucleus-free-2DEG in ti3c2 monolayer provides an ideal transport channel without nuclear scattering,which makes the highly crystalline monolayer ti3c2 nanosheets achieve a Raman enhanced factor of 3.82×108 and a 10-11 level detection limit for typical environmental pollutants such as azo dyes,trichlorophenol,and bisphenol *** imaging is also realized on the surface of the ti3c2 monolayers,which may be the first time that approximate single-molecule imaging has been achieved on a non-noblemetal SERS *** toxicological experiments show that the cytotoxicity of this material is very *** the facile synthesis,high biocompatibility,low cost and high chemical stability of carbide nanosheets,these ti3c2 monolayer nanosheets show significant promise for the design and fabrication of flexible SERS substrates for the sensing of trace substances with ultrahigh sensitivity.

关键词： ti3c2 nucleus-free 2D electron gas monolayer nanosheets SERS microwave heating quasi-metals

ti3c2层状电极电吸附去除水中铅离子研究

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工业水处理 2020年第10期40卷 95-98页

作者：牟祺程国玲东北林业大学林学院黑龙江哈尔滨150040

以二维层状阳离子插层电极ti3c2为阴极,二维层状阴离子插层电极NiAl-LMO为阳极,进行了电吸附去除水中Pb^2+的研究。结果表明,对初始质量浓度为200 mg/L的Pb(NO3)2溶液,在210 min后可达到吸附平衡,Pb^2+去除率达98.48%,平衡吸附量为96.36... 详细信息

以二维层状阳离子插层电极ti3c2为阴极,二维层状阴离子插层电极NiAl-LMO为阳极,进行了电吸附去除水中Pb^2+的研究。结果表明,对初始质量浓度为200 mg/L的Pb(NO3)2溶液,在210 min后可达到吸附平衡,Pb^2+去除率达98.48%,平衡吸附量为96.36 mg/g。Pb^2+与ca^2+共存时,ti3c2电极对Pb^2+表现出较强选择性,Pb^2+吸附量为ca^2+的近10倍。吸附过程符合准一级动力学模型,倾向于物理吸附。ti3c2的层状结构具有较大的比表面积,表面所携带的羟基基团为Pb^2+的去除提供了较多的结合位点。

关键词： ti3c2 电吸附 Pb^2+

ti3c2@Sn基负极材料的制备及其储锂性能研究

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Ti3C2@Sn基负极材料的制备及其储锂性能研究

作者：王冉成中南大学

学位级别：硕士

二维材料tic-MXene由于其独特的结构、丰富的表面官能团以及优异的电化学性能等特点,使其在锂离子电池领域具有良好的应用前景。然而,tic作为电极材料的理论比容量低,无法满足高性能锂离子电池的需要;而且在实际充放电过程中,tic电极的... 详细信息

二维材料tic-MXene由于其独特的结构、丰富的表面官能团以及优异的电化学性能等特点,使其在锂离子电池领域具有良好的应用前景。然而,tic作为电极材料的理论比容量低,无法满足高性能锂离子电池的需要;而且在实际充放电过程中,tic电极的结构易坍塌,导致其容量衰减,限制了其应用。将tic与其它高容量的电极材料进行复合时,电极材料难以生长于tic层间,导致层状tic对电极材料的电化学性能的提升受到限制。针对上述问题,本文采用Li F+Hcl混合溶液作为刻蚀剂,选择性刻蚀tiAl c前驱体,将前驱体中的Al溶解,同时利用Li作为插层剂,减弱层状tic间的范德华力;再通过超声剥离层状结构,以此获得片状tic,并将制备的片状tic与高性能的Sn基材料复合并对其储锂性能进行研究:研究刻蚀时间对tic形貌结构的影响。发现,经过24小时刻蚀的片状tic展示出良好的结构完整性、机械性能和电导率;而经过48小时刻蚀的tic则出现过度刻蚀导致结构破损的情况。在恒定电流密度100m A g的条件下,经24小时刻蚀的片状tic循环100圈后的放电比容量高达212.8m Ah g,具有优异的储锂能力。采用水热法制备了tic@Sn S@c复合材料。以片状tic作为基底,将Sn S@c粒子锚定于tic表面,在提升电子电导率和锂离子的迁移速率的同时,抑制Sn S@c在充放电过程中团聚和体积膨胀。生长在tic表面的Sn S@c颗粒在循环过程中能够扩大发生堆叠的片状tic的层间距,使复合材料的内阻减小,充放电反应更加充分并阻止片状tic结构的崩塌,并在循环过程中缓慢提升复合材料的储锂能力。tic@Sn S@c拥有稳定的结构和良好的电化学性能,在500m A g电流密度下循环400圈后放电比容量高达557.7m Ah g。采用水热法制备高性能的tic@Sn O负极材料,研究片状tic悬浮液的浓度对Sn O储锂性能的影响。发现,当tic悬浮液浓度过高(>2mg/ml)时,片状tic将发生堆叠,不利于复合材料的储锂性能。当片状tic悬浮液浓度为1mg/ml时,复合材料拥有最佳的电化学性能,在500m A g电流密度下循环200圈后放电比容量高达375.3m Ah g。图35幅,表15个,参考文献94篇。

关键词：锂离子电池负极材料 ti3c2 Sn负极电化学性能

ti3c2 MXene基复合材料及光热转换与重金属离子去除性能

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Ti3C2 MXene基复合材料及光热转换与重金属离子去除性能

作者：王欢欢山东科技大学

学位级别：硕士

随着淡水资源的紧缺,利用海水转化为淡水成为目前解决全球水资源危机的重要途径。光热海水淡化技术是一种以太阳辐射能为光热驱动力的开发海水淡化资源的新型太阳能光热转换的技术。海水中的重金属离子的存在也严重影响着淡化水的水质,... 详细信息

随着淡水资源的紧缺,利用海水转化为淡水成为目前解决全球水资源危机的重要途径。光热海水淡化技术是一种以太阳辐射能为光热驱动力的开发海水淡化资源的新型太阳能光热转换的技术。海水中的重金属离子的存在也严重影响着淡化水的水质,所以重金属离子的去除也成为了亟待解决的重要问题。ti3c2是一种具有类石墨烯结构的新型二维晶体碳化物,由于其特殊的片层结构,具有较大的表面积、良好的亲水性,且具有优异的力学、电子、磁学性能,在储能、吸附、传感器等方面被广泛应用。但是ti3c2本身的多层堆叠结构对其应用有所限制,因此对于ti3c2材料性能的改进还需要更为深入的研究。本文针对海水淡化及重金属离子去除的需要,以ti3Alc2为前驱体,采用球磨法制备了尺寸大小均匀的单层ti3c2(SL-ti3c2)纳米片,通过调整球磨时间优化材料,来提高其在海水淡化中的光热转换化性能和还原吸附重金属离子的效率;同时以多层ti3c2(d-ti3c2)为前驱体采用水热法制备了 ti3c2/tiO2复合材料,通过调整水热时间来提升其还原吸附重金属离子的效率,主要包括以下几个方面:(1)首先为以ti3Alc2前驱体,采用球磨工艺制备SL-ti3c2纳米片。在球磨过程中通过添加酒精和抽真空的方法来防止氧化,然后采用氢氟酸插层的方法制备d-ti3c2,接着加入有机溶剂进行插层,以进一步扩大层间距,最后采用超声工艺,将扩大的片层超声分离开,得到尺寸均匀的SL-ti3c2纳米片。结果表明,球磨5h后得到的SL-ti3c2纳米片的横向尺寸约为500 nm,纵向厚度为1～2 nm。与脱脂棉混合后,所制备的具有高效光捕获结构的太阳能蒸发器(SL-ti3c2/c)显示出高达97.18%的太阳能吸收。结合脱脂棉辅助的快速水输送的优点,其中SL-ti3c2-5/c蒸发器在相似的试验条件下显著加速水蒸发,在一个太阳光照下可达到1.32 kg·m-2h-1的蒸发速率,相比于d-ti3c2与脱脂棉混和的蒸发器(d-ti3c2/c)增加了 26.44%。是纯海水蒸发效率的5.28倍。蒸发器的能量转换效率在一次太阳和五个太阳光照射下高达90.98%和97.64%,并且在长期照明周期中显示出稳定的水生成能力。另外,仔细检查了处理后的蒸汽质量。海水淡化后水中的Na+、Mg2+、K+、ca2+等离子浓度急剧下降,Zn2+、Pb2+、cd2+、cu2+等重金属离子浓度也有显著的降低。(2)制备了 SL-ti3c2纳米片,由于SL-ti3c2纳米片的高的比表面积和均匀的尺寸,SL-ti3c2纳米片可用于废水中重金属离子的还原吸附去除。研究了其对重金属离子cr(Ⅵ)的还原吸附性能。SL-ti3c2纳米片的比表面积高于d-ti3c2,有利于对cr(Ⅵ)的吸附。在材料球磨时间为5h,悬浮液中SL-ti3c2纳米片浓度为0.05 g L-1,pH为2时,cr(Ⅵ)的去除率最高,为97.35%。还原吸附机理是在酸性溶液中SL-ti3c2纳米片上的正电荷吸引cr2072-,并借助H+还原为cr(Ⅲ),由SL-ti3c2提供所需的电子,还原的cr(Ⅲ)通过与ti-c的键共价键固定在ti3c2的表面,最终形成ti-c-cr(Ⅲ),以此去除cr(Ⅵ)。(3)以二维材料d-ti3c2为前驱体,采用简单的一步水热法合成了 ti3c2/tiO2复合材料。由于大的比表面积和表面上丰富的活性位点,大大提高了复合材料的还原和吸收性能。优化了合成和去除金属离子的工艺参数,并讨论了还原吸收机理。在材料水热时间为24h,悬浮液浓度为0.05 g L-1,pH为2时,cr(Ⅵ)的去除率最高,为99.34%。还原吸附机理是在酸性溶液中ti3c2/tiO2复合材料上的正电荷吸引cr2072-,并借助H+还原为cr(Ⅲ),由ti3c2提供所需的电子,还原的cr(Ⅲ)部分通过与ti-O键的共价键固定在tiO2的表面,形成ti-O-cr(Ⅲ),部分通过与ti-c的键共价键固定在ti3c2的表面,最终形成ti-c-cr(Ⅲ),以此去除cr(Ⅵ)。

关键词： ti3c2 重金属离子光热转换还原吸附

ti3c2 MXene助催化剂增强硫化镉光催化产氢性能研究

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Ti3C2 MXene助催化剂增强硫化镉光催化产氢性能研究

作者：李志鹏中南民族大学

学位级别：硕士

随着社会经济的快速发展,人类所依赖的传统化石能源日渐枯竭,环境污染问题也愈发严重。半导体光催化技术能将太阳能转换为清洁的氢能,有望同时解决能源短缺和环境污染两大问题,满足未来社会可持续发展的需求。硫化镉(cd S)是一种典型的... 详细信息

随着社会经济的快速发展,人类所依赖的传统化石能源日渐枯竭,环境污染问题也愈发严重。半导体光催化技术能将太阳能转换为清洁的氢能,有望同时解决能源短缺和环境污染两大问题,满足未来社会可持续发展的需求。硫化镉(cd S)是一种典型的可见光产氢催化剂,多年来被广泛研究。但是,光生电子-空穴易复合、光腐蚀等问题限制了cd S的产氢性能和实际应用。近年新兴的二维tic MXene材料因其优异的导电性和高功函,受到了光催化领域学者的热切关注。本论文在前人工作基础上,利用tic作为cd S的助催化剂,考察其形貌结构、表面性质等因素对cd S光催化产氢性能的影响。具体研究内容如下:第一,采用湿化学法,以钛碳化铝(tiAlc)为原料,HF为酸蚀剂,制备出多层tic,再通过溶剂热法制得多层tic-cd S二元复合物。研究结果表明,当tic质量分数为cd S的1%时,复合物光催化产氢速率达到125.2μmol·g·h,是纯cd S的1.2倍,这是因为,多层tic既提高了cd S的光吸收能力,又提升了其光生电子和空穴的分离效率,从而小幅度增强了cd S的光催化产氢活性。为了实现进一步的活性增强,改用Li F-Hcl混合酸溶液对tiAlc进行刻蚀,得到单层tic,并通过溶剂热法制备出单层tic-cd S二元复合物。由于单层tic能够暴露更多活性位点,因此在相同条件下,单层tic-cd S的催化活性比多层tic-cd S提高了1.5倍,这说明单层tic更适合作为cd S的产氢助催化剂。第二,在采用湿化学法制备单层tic的过程中,其表面部分ti原子也会被刻蚀掉,形成具有强还原性的ti空位。在上个工作的基础上,本工作利用单层tic表面的ti空位将氯金酸原位还原成Au纳米颗粒,再通过溶剂热法得到cd S@Au/tic三元复合物。当tic和Au的质量分数仅为cd S的1%和0.05%时,三元催化剂的产氢速率达到5371μmol·g·h,是纯cd S的26.6倍,并显著大于二元tic-cd S和Au-cd S复合物。这得益于三元复合界面上所形成的双肖特基结,使得更多光生电子能够快速定向转移,参与产氢反应。本工作利用MXene和极少量贵金属作双助催化剂,有效提升了cd S的可见光产氢效率,为开发高效、价廉、环保的光催化产氢材料提供了实验依据和理论指导,对推动绿色可持续太阳能转化技术而言具有一定研究意义。

关键词：光催化产氢硫化镉 ti3c2 肖特基结