Element Replacement Approach by Reaction with Lewis Acidic Molten Salts to Synthesize Nanolaminated MAX Phases and MXenes

MXenes公司 化学 路易斯酸 过渡金属 相(物质) 卤化物 金属 无机化学 化学工程 催化作用 有机化学 工程类
作者
Mian Li,Jun Lu,Kan Luo,Youbing Li,Keke Chang,Ke Chen,Jie Zhou,Johanna Rosén,Lars Hultman,Per Eklund,Per O. Å. Persson,Shiyu Du,Zhifang Chai,Zhengren Huang,Qing Huang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (11): 4730-4737 被引量:1320
标识
DOI:10.1021/jacs.9b00574
摘要

Nanolaminated materials are important because of their exceptional properties and wide range of applications. Here, we demonstrate a general approach to synthesizing a series of Zn-based MAX phases and Cl-terminated MXenes originating from the replacement reaction between the MAX phase and the late transition-metal halides. The approach is a top-down route that enables the late transitional element atom (Zn in the present case) to occupy the A site in the pre-existing MAX phase structure. Using this replacement reaction between the Zn element from molten ZnCl2 and the Al element in MAX phase precursors (Ti3AlC2, Ti2AlC, Ti2AlN, and V2AlC), novel MAX phases Ti3ZnC2, Ti2ZnC, Ti2ZnN, and V2ZnC were synthesized. When employing excess ZnCl2, Cl-terminated MXenes (such as Ti3C2Cl2 and Ti2CCl2) were derived by a subsequent exfoliation of Ti3ZnC2 and Ti2ZnC due to the strong Lewis acidity of molten ZnCl2. These results indicate that A-site element replacement in traditional MAX phases by late transition-metal halides opens the door to explore MAX phases that are not thermodynamically stable at high temperature and would be difficult to synthesize through the commonly employed powder metallurgy approach. In addition, this is the first time that exclusively Cl-terminated MXenes were obtained, and the etching effect of Lewis acid in molten salts provides a green and viable route to preparing MXenes through an HF-free chemical approach.
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