Calorimetric Study of Alkali Metal Ion (K+, Na+, Li+) Exchange in a Clay-Like MXene

碱金属 化学 水溶液 无机化学 量热法 离子交换 离子 定性无机分析 插层(化学) 标准生成焓 吸附 分析化学(期刊) 物理化学 热力学 有机化学 物理
作者
Geetu Sharma,Elayaraja Muthuswamy,Michael Naguib,Yury Gogotsi,Alexandra Navrotsky,Di Wu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (28): 15145-15153 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b02419
摘要

Intercalation of ions in layered materials has been explored to improve the rate capability in Li-ion batteries and supercapacitors. This work investigates the energetics of alkali ion exchange in a clay-like MXene, Ti3C2Tx, where Tx stands for anionic surface moieties, by immersion calorimetry in aqueous solutions. The measured immersion enthalpies of clay-like Ti3C2Tx, ΔHimm, at 25 °C in 1 M KCl, 1 M NaCl, 1 M LiCl, and nanopure water are −9.19 (±0.56), −5.90 (±0.31), −1.31 (±0.20), and −1.29 (±0.13) kJ/mol of MXene, respectively. Inductively coupled plasma mass spectrometry is used to obtain the concentrations of alkali ions in the solid and aqueous phases. Using these concentrations, the enthalpies of exchange of alkali metal ions (Li+, Na+, and K+) are calculated; ΔHex in 1 M KCl, 1 M NaCl, 1 M LiCl, and nanopure water are −9.3 (±2.2), 21.0 (±0.9), −1.3 (±0.2), and 302.4 (±0.6) kJ/mol of MXene, respectively. Both immersion and exchange enthalpies are most exothermic for potassium. This suggests that K+ ions interact more strongly with anions present in the interlayers of this MXene than Na+ and Li+ ions. Water vapor adsorption calorimetry indicates very weak interaction of water with the MXene, while immersion calorimetry suggests a weakly hydrophilic nature of the MXene surface.
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