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他,80后“三院”院士,他引超10万次,最新Nature Materials!
来源:高分子科学前沿 | 2024/6/10 9:50:35 | 浏览:1000 | 评论:0

今天,要向大家介绍一位超级大牛——冯新亮院士!

他,80后“三院”院士,他引超10万次,最新Nature Materials!

他,于1980年生于安徽歙县,2001年获得中国地质大学学士学位,2004年获得上海交通大学硕士学位,同年赴德国马普高分子研究所深造,2008年获博士学位。德国德累斯顿工业大学首席教授、在德国获得化学学科终身教职的华人第一人。

他,年仅39岁便成功当选欧洲科学院院士(2019年),2021年当选德国工程院院士,2024年当选德国科学院Leopoldina化学部院士,也是最年轻的“三院”院士之一。截止目前发表700多篇学术论文,他引超过10万次,H指数为165。

今日,《Nature Materials》杂志以题为“MXenes with ordered triatomic-layer borate polyanion terminations”发表了冯新亮院士及其合作者的重磅研究成果。

他,80后“三院”院士,他引超10万次,最新Nature Materials!

具体而言,研究人员展示了通过助熔剂辅助共晶熔融蚀刻法合成具有三原子层硼酸盐多阴离子终端(OBO终端)的MXenes。在合成过程中,路易斯酸盐充当蚀刻剂以获得MXene主链,而硼砂产生BO2−物质,以O–B–O配置覆盖MXene表面。与具有局部电荷传输的传统氯/氧终端Nb2C相比,OBO终端Nb2C具有Drude模型描述的能带传输,在直流极限下电导率提高了15倍,电荷迁移率提高了10倍。这种转变归因于表面有序化,可有效缓解电荷载流子反向散射和捕获。此外,OBO终端为Ti3C2 MXene提供了大量丰富的Li+载体位点,从而实现了420 mAh g-1的大电荷存储容量。研究结果说明了MXene中复杂终端配置的潜力及其在(光)电子和储能方面的应用。

【OBO封端MXene的合成】

OBO封端MXene的合成涉及助熔剂辅助共晶熔融蚀刻方法。该方法将路易斯酸性蚀刻剂CuCl2与硼砂(Na2B4O7·10H2O)结合在一起,硼砂作为硼酸根阴离子的来源。具体而言,蚀刻工艺具体包括:(1)CuCl2蚀刻:CuCl2选择性地去除Ti3AlC2上的铝层,从而形成Ti3C2。(2)硼砂分解:硼砂分解成NaBO2和B2O3,BO2−阴离子优先覆盖Ti3C2表面。(3)OBO末端的形成:BO2−物质通过一系列反应覆盖MXene表面,形成稳定的O–B–O构型。蚀刻后处理:(1)使用5%HCl和0.1M过硫酸铵进行连续洗涤步骤,去除残留的B2O3和铜。(2)能量色散X射线光谱证实了所得OBO-MXene的化学成分。

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图1.通过助熔剂辅助共晶熔融蚀刻方法合成OBO-MXene

【OBO封端MXene的表征】

扫描电子显微镜(SEM)图像证实了合成的OBO-Ti3C2和OBO-Nb2C的典型手风琴状形貌。粉末X射线衍射(PXRD)图案表明层间距扩大,支持从MAX相成功转化为MXene相。高分辨率固态 11B 魔角旋转(MAS)NMR 光谱为硼砂的热分解和 BO2− 封端 MXene 的形成提供了证据。傅里叶变换红外光谱分析证实OBO-MXenes表面不存在–OH基团。光谱显示对应于四面体和三重氧配位硼原子的特征信号。B 1s 和 C 1s 区域的 X 射线光电子能谱(XPS)分析分别证实了硼酸盐物质和碳-金属键的存在,从而验证了 OBO-MXene 的合成。

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图2.OBO-MXenes的合成机理和表征

【OBO终端的原子配置】

OBO端子的原子结构具有独特的三原子层O-B-O配置。这种有序排列与传统MXene的无序末端形成鲜明对比,提供了增强的稳定性和性能。俯视图和侧视图:OBO端子形成三原子层结构,如OBO-Ti3C2和OBO-Nb2C原子模型中所示。X射线吸收近边缘结构(XANES)光谱进一步证实了原子结构,显示了OBO-MXene与传统ClO封端MXene相比的不同能量位置。

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图3.OBO-MXene的结构特征

【电荷传输特性】

与传统MXene相比,OBO封端的MXene表现出显着增强的电荷传输特性。这种改进归因于有序的表面终端,它减少了电荷载流子的反向散射和捕获。OBO-Nb2C的电导率遵循Drude模型,表明完全离域的电荷载流子和能带传输行为。与ClO-Nb2C相比,电导率增加了15倍。直流(d.c.)极限下的电荷迁移率也提高了10倍,凸显了OBO端子在促进电荷传输方面的有效性。此外,还对OBO-Ti3C2和ClO-Ti3C2进行了OPTP和时域光谱测量。与ClO-Ti3C2相比,OBO-Ti3C2的光电导率提高了1.4倍,宏观电子迁移率提高了2.3倍,这验证了OBO终端对增强MXenes电荷传输性能的普遍作用。

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图4.OBO-MXene的电荷传输特性

【超高锂+-承载能力】

OBO端子显着增强了MXene的锂离子承载能力,使其非常适合能源存储应用。OBO 终端将 Ti3C2 MXene 的锂离子存储容量提高到 420 mAh g−1,几乎是氯/氧终端 Ti3C2(ClO-Ti3C2)容量的两倍,后者的容量为 212 mAh g−1。电化学测量和结构分析证明,容量的增强归因于 OBO 端子提供的 Li+ 承载位点数量的增加。

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图5.OBO-Ti3C2的电荷存储特性

【总结】

本研究证明,使用助熔剂辅助共晶熔融蚀刻法成功合成了具有有序三原子层硼酸盐多阴离子终端的MXene。OBO终端的MXene表现出显著改善的性能,包括增强的电导率和电荷迁移率,以及超高的锂离子承载能力。这些发现说明了MXene中复杂终端配置的潜力,扩大了它们在(光)电子和储能领域的适用性。

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