Чешуйки MXene Ti3C2Tx: реакции выходят за область контакта капли SECCM, показала рентгеновская микроскопия
Авторы сопоставили рентгеновские карты степени окисления титана с локальными электрохимическими измерениями на отдельных чешуйках Ti3C2Tx: активность вышла далеко за точку контакта.
Исследователи сообщили в Nature Communications о коррелятивном методе визуализации электрохимических процессов на отдельных чешуйках MXene Ti3C2Tx — двумерного карбида титана. Сканирующая электрохимическая ячеечная микроскопия (SECCM) запускала реакции на небольших участках чешуйки, а сканирующая рентгеновская микроскопия (SXM) затем картировала её электронную структуру на наноуровне nature.com
Nature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗. Для нескольких реакций с сопряжённым переносом протона и электрона, включая электрохимическое окисление и реакцию выделения водорода, авторы сообщают, что реакции распространялись заметно дальше той части чешуйки, что контактировала с каплей.
Зачем изучать отдельные чешуйки
В псевдоконденсаторах с кислым электролитом плоские электроды из Ti3C2Tx показывали более высокую гравиметрическую ёмкость и более быстрый заряд-разряд, чем макропористые шаблонные, хотя электролит проникал в них хуже. Это указывало на латеральный перенос протонов вдоль поверхности MXene, но отделить его вклад от объёмных эффектов электрода трудно. В толстых электродах также нельзя полностью разделить интеркаляцию и редокс-псевдоёмкость.
Ранние измерения методом SECCM с зондом радиусом около 300 нм дали аномально высокие значения ёмкости при нормировке на площадь контакта зонда. При нормировке на полную площадь чешуйки они совпадали с показателями современных устройств. Посмертные снимки сканирующей электронной микроскопии не показали смачивания за пределами области контакта. Сходный эффект ранее описан для наночастиц Pt на расстоянии микрон от капли и связан с тонкой плёнкой электролита около 5 нм.
Метод и результаты
SXM — синхротронный метод: сфокусированный рентгеновский пучок сканирует образец, а перестройка энергии пучка даёт химический контраст. Режим полного выхода электронов зондирует поверхность, а пропускание — объём. Авторы использовали подложку, созданную ранее в их группе, которая позволяет проводить измерения SECCM и получать изображения SXM в режиме полного выхода электронов на одних и тех же нанообъектах nature.com
Nature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗.
Изучались реакция выделения водорода, ёмкостная зарядка и электрохимическое окисление. Карты степени окисления Ti показали, что при любой из реакций редокс-активность распространялась далеко за точку непосредственного контакта. Авторы предполагают, что молекулы межфазной воды обеспечивают быстрый перенос протонов по поверхности MXene. Они также сообщают о признаках хранения водорода на монослойных чешуйках Ti3C2Tx.
По словам авторов, этот делокализованный механизм определяет реакционную способность Ti3C2Tx и в катодном, и в анодном режимах. Они полагают, что он может быть значим везде, где участвуют реакции с сопряжённым переносом протона и электрона.
