MXene表面陰離子基團功能調(diào)控及性能預(yù)測.pdf

1、因其獨特的結(jié)構(gòu)和物理化學特性，低維納米材料研究成為眾多領(lǐng)域中的研究熱點之一。二維MXenes材料是MAX相經(jīng)過HF酸刻蝕制備出的具有六方結(jié)構(gòu)的一種新型低維材料。由于其骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面負載基團化學性質(zhì)活潑，MXenes在Li離子電池、超級電容器和電化學催化等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本論文從MXenes材料的高比表面和高活性表面基團出發(fā)，利用表面基團的陽離子交換作用進行以Pb為代表的重金屬離子的吸附研究，探索了MXenes材料在污水處

2、理方面的應(yīng)用，并通過第一性原理計算的方法詳細闡述了MXenes吸附重金屬離子的內(nèi)在機理以及吸附過程中受其它因素的影響。另外，通過特殊結(jié)構(gòu)摻雜和施加應(yīng)變，研究了新型MXenes材料在光學吸收方面的潛在應(yīng)用。
　　(1)采用 HF酸刻蝕 Ti3AlC2并經(jīng)過堿化處理最終得到 Ti3C2(OH/ONa)2(alk-MXene)，開展了其去除水中的重金屬Pb離子的性能研究。結(jié)果表明，制備出的Ti3C2(OH/ONa)2具有好的分層和豐富的

3、活性位點，并在有大量Ca和Mg離子存在的環(huán)境中具有非常好的除Pb離子性能。動力學實驗表明該材料具有非?？斓膭恿W，在120 s時就達到了吸附平衡。最具吸引力的是，每千克alk-MXenes在4500 kg污水中顯示了高效的除Pb離子性能，除Pb離子效果（2μg/L）遠遠低于世界衛(wèi)生組織推薦的飲用水含Pb離子的標準（10μg/L）。實驗和理論分析研究認為，alk-MXene的吸附行為主要是其表面的OH/ONa基團通過離子交換，與Pb離子形

4、成了穩(wěn)定的化學鍵造成的。
　　(2)采用第一性原理詳細研究了Ti3C2(OH)2吸附重金屬離子的性能及原理。結(jié)果表明，Ti3C2(OH)2不僅對Pb離子而且對其它常見的重金屬Cu，Zn，Pd和Cd離子都具有非常好的吸附效果。進一步的研究表明，環(huán)境中的水分子并不影響MXenes對重金屬離子的吸附。Ti3C2(OH)2表面F基團或者O基團的存在由于缺少了離子交換的所需陽離子和電子束縛作用而減弱了重金屬離子的吸附作用，而OLi，ONa，

5、 OK等基團的形成增大了層間距，有利于重金屬吸附。另外，重金屬離子在Ti3C2(OH)2表面吸附Pb離子的表面形態(tài)具有多種形式，可以發(fā)生Pb-Pb離子聚集，但其形成的根本原因都是基于陽離子的交換作用和周圍OH離子的束縛作用。
　　(3)考慮到 MXenes具有多樣性和復(fù)雜性，通過第一性原理系統(tǒng)的研究了M2X(OH)2(M=Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and X=C or N)的Pb離子吸附

6、行為。結(jié)果顯示，M2N(O2H2-2xPbx)的形成能要低于M2C(O2H2-2xPbx)，說明N基的MXenes要比C基的MXenes更容易吸附Pb離子。結(jié)合原子量大小和吸附效率，Ti2C(OH)2是最佳的Pb離子吸附材料。另外，研究發(fā)現(xiàn)Sc2C(OH)2和Zr2C(OH)2沒有Pb離子吸附能力。
　　(4) MXene經(jīng)過相轉(zhuǎn)變可以生成它的衍生物TiO2-C，C提供了骨架結(jié)構(gòu)用來使TiO2得以分散。發(fā)現(xiàn)金紅石結(jié)構(gòu)的u-TiO2

7、具有非常優(yōu)異的Cr(VI)吸附特性。使用第一性原理研究了MXene衍生TiO2吸附Cr(VI)離子的微觀機制。TiO2的金紅石結(jié)構(gòu)(110)面和銳鈦礦結(jié)構(gòu)的(101)面和(001)面的吸附Cr(VI)離子的能力不僅跟吸附能有關(guān)，還取決于吸附H2O分子的吸附能大小。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金紅石結(jié)構(gòu)TiO2(110)面吸附Cr(VI)離子的吸附能遠遠低于H2O分子的吸附能，具有非常好的吸附能力。
　　(5)使用第一性原理通過摻雜和施加應(yīng)變得到了一

8、種具有可見光吸收直接帶隙（~1.4 eV）的MXenes材料（ScNbCO2）。結(jié)果顯示，純的Sc基碳化物MXenes Sc2CO2是間接帶隙寬度為2.965 eV的寬禁帶材料。Ti，Zr和Hf替換Sc時帶隙消失，而Nb替代時依然具有帶隙。替換一層Sc構(gòu)成ScNbCO2時，不僅由Sc2CO2的間接帶隙轉(zhuǎn)變成了直接帶隙，而且?guī)秾挾纫灿稍瓉淼膶捊麕挾?.965 eV變?yōu)?.839 eV。經(jīng)過僅僅3％單軸應(yīng)變就可以在保持直接帶隙性質(zhì)不變的