Atomic-Scale Recognition of Surface Structure and Intercalation Mechanism of Ti3C2X

插层(化学) 化学 原子单位 比例(比率) 结晶学 机制(生物学) 曲面(拓扑) 立体化学 无机化学 几何学 量子力学 物理 认识论 数学 哲学
作者
Xuefeng Wang,Xi Shen,Yurui Gao,Zhaoxiang Wang,Richeng Yu,Liquan Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (7): 2715-2721 被引量:547
标识
DOI:10.1021/ja512820k
摘要

MXenes represent a large family of functionalized two-dimensional (2D) transition-metal carbides and carbonitrides. However, most of the understanding on their unique structures and applications stops at the theoretical suggestion and lack of experimental support. Herein, the surface structure and intercalation chemistry of Ti3C2X are clarified at the atomic scale by aberration-corrected scanning transmission electron microscope (STEM) and density functional theory (DFT) calculations. The STEM studies show that the functional groups (e.g., OH(-), F(-), O(-)) and the intercalated sodium (Na) ions prefer to stay on the top sites of the centro-Ti atoms and the C atoms of the Ti3C2 monolayer, respectively. Double Na-atomic layers are found within the Ti3C2X interlayer upon extensive Na intercalation via two-phase transition and solid-solution reactions. In addition, aluminum (Al)-ion intercalation leads to horizontal sliding of the Ti3C2X monolayer. On the basis of these observations, the previous monolayer surface model of Ti3C2X is modified. DFT calculations using the new modeling help to understand more about their physical and chemical properties. These findings enrich the understanding of the MXenes and shed light on future material design and applications. Moreover, the Ti3C2X exhibits prominent rate performance and long-term cycling stability as an anode material for Na-ion batteries.
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