Inhibition of AlF3·3H2O Impurity Formation in Ti3C2Tx MXene Synthesis under a Unique CoFx/HCl Etching Environment

MXenes公司 杂质 蚀刻(微加工) 材料科学 插层(化学) 离子键合 相(物质) 无机化学 化学工程 纳米技术 化学 离子 图层(电子) 有机化学 工程类
作者
Cody B. Cockreham,Xianghui Zhang,Houqian Li,Ellis Hammond-Pereira,Junming Sun,Steven R. Saunders,Yong Wang,Hongwu Xu,Di Wu
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:2 (11): 8145-8152 被引量:58
标识
DOI:10.1021/acsaem.9b01618
摘要

MXenes, most commonly transition metal carbides, are a family of two-dimensional (2D) materials with promising potential in, among other applications, supercapacitors and batteries. MXenes are synthesized by etching of aluminum or gallium layers in its parent MAX phase directly by HF or by HF in situ formation using a fluoride salt and strong acid. A commonly undesired byproduct of MXene synthesis is AlF3·3H2O. To relieve MXenes from AlF3·3H2O impurity, it is important to elucidate the factors that drive its formation. Here, we dually deduce the conditions that lead to AlF3·3H2O formation while exploring etching with cobalt fluorides (CoF2/CoF3). Previously uncharacterized, etching with cobalt fluorides offers a forthright method to etch MXenes while intercalating cobalt cations. The influence of this etching environment and AlF3·3H2O formation on MXene's structure, morphology, and surface bonding is investigated. Ionic strength of solution used for etching is found to be a critical driving factor in the formation of AlF3·3H2O impurity formation. Specifically, when the ionic strength falls between ∼8.5 and 10 M, AlF3 complexation is stable. As a result, Ti3C2Tx MXene phase with AlF3·3H2O impurity is obtained. In contrast, near-pure MXene is the only solid state product when I is smaller than 8.5 M or larger than 10 M. Hence, high purity MXene phase can be synthesized by subtle compositional tuning to manipulate the ionic strength of the etching environment.
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