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β-巯基乙醇促进MXene的长期稳定性并调节其功函数

2022/11/17 17:20:23  阅读:212 发布者:

MXene是一种新兴的二维层状过渡金属碳化物/氮化物家族,其化学通式为Mn+1XnTx(n= 1~4),具有许多优异的物理和化学性质,如金属导电性、水分散性、高光学透明度、良好的机械性能、可修饰的表面官能团,以及可调的功函数。自2011年被发现以来,MXene已在各种应用中表现出卓越的性能,例如储能、光热转换、电磁干扰屏蔽、传感器、水净化和脱盐等。除了优异的性能外,MXene可以通过溶液法合成并在水相中进行加工,以提供低成本和大规模的应用。表面官能团可以稳定MXene表面上的活性过渡金属原子,例如TiVCrNb。但溶液法合成的MXene薄片有边缘和许多缺陷,其中不饱和的金属原子称为悬空键。因此,MXene很容易被H2OO2等氧化剂氧化。这种自发的氧化反应使MXene 在潮湿的空气或水分散体中逐渐降解为金属氧化物和无定形碳,这会严重影响其在储存和加工过程中的稳定性以及在实际应用中的可靠性。

近日,韩国成均馆大学Sungjoo Lee团队在Small Science上发表了研究文章,报道了β-巯基乙醇可用于抑制Ti3C2Tx MXene在潮湿条件下的降解,并且能维持MXene的二维形态,在不影响优异性能的同时大幅延长了材料的使用寿命。

在本工作中,研究团队向Ti3C2Tx分散体中加入了β-巯基乙醇(BME)溶液,并利用超声处理进行充分混合,得到了不同浓度BME保护的Ti3C2Tx体系。其中,BME中硫原子的孤对电子优先与MXene的不饱和Ti结合,从而能抑制Ti3C2Tx的氧化反应。在老化试验后,进行了UV-vis-NIR 吸收光谱、光学显微镜和原子力显微镜等表征,结果表明BME可以有效抑制氧化,并且能维持MXene的原始形态,而未加入BME的对照组则在潮湿环境下被分解为TiO2颗粒。

此外,密度泛函计算也揭示了BMETi3C2Tx的结合机制,巯基的给电子效应可以抑制MXene的降解,并将其功函数从4.70eV调节至4.39eVX-射线光电子能谱表征发现,BME保护的MXene中具有S原子与Ti原子形成的Ti-S键。X射线衍射图谱表明,随着BME量的增加,Ti3C2Tx的层间距从1.27nm增加到1.48nm

为了研究Ti3C2TxBME保护的Ti3C2Tx在应用场景下的稳定性和电性能,该团队以上述MXene为通道制备了薄膜晶体管器件。测试结果表明,BMETi3C2Tx的结合可略微提高初始电导率(从3534.14514.9 S cm-1),无保护的Ti3C2Tx7天后因氧化而退化为绝缘体(0.015 S cm-1),而被BME保护的组别则在60天后仍保持了出色的电导率(92.6 S cm-1)。

论文信息:

β-Mercaptoethanol-Enabled Long-Term Stability and Work Function Tuning of MXene

Hongyue Jing, Benzheng Lyu, Yingqi Tang, Sungpyo Baek, Jin-Hong Park, Byoung Hun Lee, Jin Yong Lee, Sungjoo Lee*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202200057

转自:“蔻享学术”微信公众号

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