810 工程科学学报，第43卷.第6期 色散谱仪(EDS)对材料表面的元素组成进行分析 X射线衍射图（该薄膜厚度为6.6m).Ti,A1C2的 采用英国克雷托斯集团公司的AXISULTRA- 特征峰分别位于9.4°、19.0°、33.94°、38.9°、41.6° DLD型X射线光电子能谱仪(XPS)对元素化学状 和48.3°对应于(002)、(004)、(101)、(104)、(105)和 态进行分析，结果根据C-C键标准峰位284.8eV (107)晶面.沉淀物X射线衍射图显示经过LF- 进行矫正 HC1混合液刻蚀后，Ti3A1C2的(104)特征峰在38.9° 采用上海辰华仪器公司生产的CHI760E型电化 处完全消失，这表明Ti3AIC2中的A1原子层完全 学工作站.使用三电极体系，MXene薄膜电极为工 被选择性刻蚀，且得到刻蚀产物的(002)特征峰较 作电极(1cm×1.5cm的矩形)，Ag/AgCl为参比电 Ti3A1C2的(002)特征峰向左偏移，这表明成功的合 极，铂丝为辅助电极，对样品的电化学性质进行研 成了MXene材料.经过抽滤Xene胶体溶液得到 究.电解质溶液浓度为1 mol-L Na2SO4、3molL 的MXene薄膜(O02)特征峰较刻蚀产物向左偏移， KOH和1 mol-L H2SO4.电化学测试方法采用循 表明经过超声剥离后纳米片层之间的间距变大 环伏安法(CV)测试工作电极在不同扫速下的电 为了进一步对所制备的MXene薄膜进行表征， 化学性能；采用恒电流充放电法(GCD)测试工作 图I(b)为MXene样品X射线光电子能谱全谱图. 电极在不同电流密度下的充放电性能；采用交流 从图中可以看出，在0~800eV检测范围内，MXene 阻抗法(EIS)测试工作电极的电荷传质阻抗 样品中存在Ti2p、Cls、O1s、F1s和CI2p特征 2结果与讨论 峰，其中没有A1元素的特征峰，说明A1完全被选 择性刻蚀.O1s、F1s和C12p存在表明，使用 2.1物相与形貌表征 LiF-HCI混合刻蚀溶液刻蚀Al原子层后，MXene 图1(a)为Ti3A1C2、沉淀物和抽滤的薄膜的 表面形成-O,-OH,-F和-C1基团 002) (a) (b) Ti 2p MXene film (002) MXene sediment (004) C.ls (006) (008) Cl 2p (002) (004) (01)105)(a07 10 20 30 40 50 8007006005004003002001000 2W) Binding energy/eV 图1(a)Ti,AIC2、MXene沉淀和MXene薄膜的X射线衍射图：(b)MXene薄膜的XPS全谱图 Fig.I (a)XRD patterns of TiAlCz,MXene sediment,and MXene films;(b)XPS profiles of MXene film 图2(a)和2(b)为通过真空抽滤MXene胶体 和2(f)为经过真空抽滤MXene胶体溶液后得到 溶液得到的MXene薄膜的实物照片.通过真空抽 的MXene薄膜的顶视图和侧截面图的扫描电镜图 滤和干燥后可以得到一张完整的直径为40mm的 片，可以看到经过真空抽滤MXene纳米片一层一 MXene薄膜，另外，MXene薄膜可以蜷曲在玻璃 层地堆积形成了MXene薄膜.MXene纳米片薄膜 棒上并且保持其完整性，表明MXene薄膜具有良 通过纳米片的致密再堆积而形成层状结构，是二 好的柔韧性.图2(c)为前驱体MAX相材料Ti3AIC2 维材料经过真空抽滤和干燥后形成的典型形貌 的扫描电镜图.从图中可以看出来Ti,AIC2呈现结 分别将含有30,65和180 mg MXene的胶体溶液通 构紧密的层状结构，颗粒表面干净.图2(d)为 过纤维素过滤膜进行真空抽滤得到不同厚度的 HCI与LF混合溶液刻蚀后的扫描电镜图，刻蚀产 MXene薄膜.从图2(g)~2(i)中，可以看到MXene 物Xene沉淀的扫描电镜照片.从图中可以看 薄膜厚度均匀，MXene--l、MXene--2和MXene-3厚 出，经过刻蚀后，由于A1原子层被选择性刻蚀，母 度分别为6.6、14.9和40.2um,与制备时所用的质 体相Ti,A1C2出现了明显的层间距分层结构，并且 量线性相关 可以看到刻蚀产物表面有些褶皱的薄层.图2() 从图3中可以看到MXene中Ti、C、O、F、Cl色散谱仪 (EDS) 对材料表面的元素组成进行分析. 采 用 英 国 克 雷 托 斯 集 团 公 司 的 AXISULTRA￾DLD 型 X 射线光电子能谱仪 (XPS) 对元素化学状 态进行分析，结果根据 C ‒C 键标准峰位 284.8 eV 进行矫正. 采用上海辰华仪器公司生产的 CHI760E 型电化 学工作站. 使用三电极体系，MXene 薄膜电极为工 作电极（1 cm×1.5 cm 的矩形），Ag/AgCl 为参比电 极，铂丝为辅助电极，对样品的电化学性质进行研 究. 电解质溶液浓度为 1 mol·L−1 Na2SO4、3 mol·L−1 KOH 和 1 mol·L−1 H2SO4 . 电化学测试方法采用循 环伏安法 (CV) 测试工作电极在不同扫速下的电 化学性能；采用恒电流充放电法 (GCD) 测试工作 电极在不同电流密度下的充放电性能；采用交流 阻抗法 (EIS) 测试工作电极的电荷传质阻抗. 2    结果与讨论 2.1    物相与形貌表征 图 1（ a）为 Ti3AlC2、沉淀物和抽滤的薄膜的 X 射线衍射图（该薄膜厚度为 6.6 μm）. Ti3AlC2 的 特征峰分别位于 9.4°、 19.0°、 33.94°、 38.9°、 41.6° 和 48.3°对应于 (002)、(004)、(101)、(104)、(105) 和 (107) 晶面. 沉淀物 X 射线衍射图显示经过 LiF‒ HCl 混合液刻蚀后，Ti3AlC2 的 (104) 特征峰在 38.9° 处完全消失，这表明 Ti3AlC2 中的 Al 原子层完全 被选择性刻蚀，且得到刻蚀产物的 (002) 特征峰较 Ti3AlC2 的 (002) 特征峰向左偏移，这表明成功的合 成了 MXene 材料. 经过抽滤 MXene 胶体溶液得到 的 MXene 薄膜 (002) 特征峰较刻蚀产物向左偏移， 表明经过超声剥离后纳米片层之间的间距变大. 为了进一步对所制备的 MXene 薄膜进行表征 ， 图 1（b）为 MXene 样品 X 射线光电子能谱全谱图. 从图中可以看出，在 0～800 eV 检测范围内，MXene 样品中存在 Ti 2p、C 1s、O 1s、F 1s 和 Cl 2p 特征 峰，其中没有 Al 元素的特征峰，说明 Al 完全被选 择性刻蚀 . O  1s、 F  1s 和 Cl  2p 存在表明 ，使 用 LiF‒HCl 混合刻蚀溶液刻蚀 Al 原子层后，MXene 表面形成‒O，‒OH，‒F 和‒Cl 基团[25] . 10 20 30 40 50 0 Intensity Intensity (a) (b) (002) (002) (002) (004) (004) (101) (104) (105) (107) (006) (008) Ti3AlC2 MXene sediment MXene film 2θ/(°) F 1s O 1s Ti 2p C 1s Cl 2p 800 700 600 500 400 300 200 100 Binding energy/eV 图 1    （a）Ti3AlC2、MXene 沉淀和 MXene 薄膜的 X 射线衍射图；（b）MXene 薄膜的 XPS 全谱图 Fig.1    (a) XRD patterns of Ti3AlC2 , MXene sediment, and MXene films; (b) XPS profiles of MXene film 图 2（a）和 2（b）为通过真空抽滤 MXene 胶体 溶液得到的 MXene 薄膜的实物照片. 通过真空抽 滤和干燥后可以得到一张完整的直径为 40 mm 的 MXene 薄膜. 另外，MXene 薄膜可以蜷曲在玻璃 棒上并且保持其完整性，表明 MXene 薄膜具有良 好的柔韧性. 图 2（c）为前驱体 MAX 相材料 Ti3AlC2 的扫描电镜图. 从图中可以看出来 Ti3AlC2 呈现结 构紧密的层状结构 ，颗粒表面干净. 图 2（ d）为 HCl 与 LiF 混合溶液刻蚀后的扫描电镜图，刻蚀产 物 MXene 沉淀的扫描电镜照片. 从图中可以看 出，经过刻蚀后，由于 Al 原子层被选择性刻蚀，母 体相 Ti3AlC2 出现了明显的层间距分层结构，并且 可以看到刻蚀产物表面有些褶皱的薄层. 图 2（e） 和 2（f）为经过真空抽滤 MXene 胶体溶液后得到 的 MXene 薄膜的顶视图和侧截面图的扫描电镜图 片，可以看到经过真空抽滤 MXene 纳米片一层一 层地堆积形成了 MXene 薄膜. MXene 纳米片薄膜 通过纳米片的致密再堆积而形成层状结构，是二 维材料经过真空抽滤和干燥后形成的典型形貌. 分别将含有 30，65 和 180 mg MXene 的胶体溶液通 过纤维素过滤膜进行真空抽滤得到不同厚度的 MXene 薄膜. 从图 2（g）～2（i）中，可以看到 MXene 薄膜厚度均匀，MXene-1、MXene-2 和 MXene-3 厚 度分别为 6.6、14.9 和 40.2 μm，与制备时所用的质 量线性相关. 从图 3 中可以看到 MXene 中 Ti、C、O、F、Cl · 810 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期