近日，云南大学材料与能源学院电子材料与器件团队及电镜中心胡万彪研究员、王双宝副教授利用先进电镜技术首次报道了氢氟酸（HF）刻蚀制备Ti₃C₂T_xMXene过程中Ti₃C₂T_x的微观结构和性能演变规律。研究成果以“Identifying the surface properties ofTi₃C₂T_xMXene through transmission electron microscopy”为题在Cell Reports Physical Science (CRPS）发表（论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386422004623 )。研究成果2以“Effect of HF etching on titanium carbide (Ti₃C₂T_x) microstructure and its capacitive properties”为题在Chemical Engineering Journal发表（论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722049919 ）。云南大学王双宝副教授为论文第一作者兼通讯作者，胡万彪研究员为论文共同通讯作者。

碳化钛Ti₃C₂T_x（T_x=表面官能团）MXene作为最常见和最广泛研究的材料之一，有良好的物理性能和化学活性，但其表面结构和性能及刻蚀过程中微观结构演变尚不清楚。团队使用透射电子显微镜/光谱学、第一性原理计算和分子动力学模拟揭示了蚀刻处理的Ti₃C₂T_x的表面性质。确定了具有逆梯度分布的富O但缺C的扩散层（约3nm）。与O对C的表面取代相关，还揭示了含有Ti、Al和C的氟氧化物的非晶覆盖层（约2nm）。稳定的扩散层在费米能级具有高的态密度和低的剪切模量与体积模量之比（图1），这意味着扩散层的形成不损害Ti₃C₂T_x的导电性和延展性。此外，团队研究也发现Ti₃C₂T_xMXene中的层状裂纹总是由Ti₃C₂T_x颗粒最外侧边缘位置处的第一初始层状裂纹形成，其在附近区域诱导其他层状裂纹的连续成核。在随后的蚀刻过程中，随着Ti₃C₂T_x宏观层密度的增加和Al(F，O，C)3沉淀，早期层状裂纹发生生长（图2）。层状裂纹的形成与Ti₃C₂T_x中局部内应力的释放有关。发现在蚀刻过程中Ti价态、C–C和Ti-C键以及Ti-F、C–O和Al-O表面基团发生了显著变化。最大比电容与Ti₃C₂T_x的最大晶格参数c和宏观层数的最大数量一致，而过蚀刻产生面内微裂纹、Ti溶解和比电容降低。这些发现对于改进氧化策略和理解该材料的结构特性具有重要意义。

图1.Ti3C2Tx表层的电子转移、成键和导电性能

图2. HF刻蚀Ti3C2Tx过程中使用SEM原位实验揭示早期的蚀刻路径

本项研究得到国家自然科学基金、云南大学引进人才项目和云南省高校高性能阻容感材料与器件重点实验室等的支持。

供稿：材料与能源学院

编辑：党委统战部

胡万彪研究员：无党派人士，云南大学材料与能源学院副院长、研究员