Synthesis of Transition Metal Carbide MXenes by HF-Free Methods

Abstract

This bachelor 's thesis focuses on the preparation of MXene materials using alternative routes that avoid the use of hydrofluoric acid, which is highly hazardous. The development of safer synthesis methods is important due to the wide range of promising applications of MXenes. In this work, the preparation of Ti2C, Ti3C2, Nb2C, and V2C MXenes was investigated. Several approaches were explored, including (i) ball milling, (ii) wet etching, and (iii) sonicate- assisted etching with various etching agents like trifluoroacetic acid. The prepared materials were characterized using X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and energy- dispersive X-ray spectroscopy (EDX). In addition, the preparation of an MXene-based catalyst was explored for the photo- electrochemical (PEC) hydrogen evolution reaction (HER). Since MXenes can act as co- catalysts, an FTO/Cu2O system was selected with the aim of enhancing its catalytic activity by adding MXene layer over FTO/Cu2O surface. The electrochemical behaviour of prepared FTO/Cu2O/MXene-(Pt) composite electrodes were characterized by linear sweep voltammetry and chronoamperometry performed in a two-compartment cell (with solar simulator with an AM 1.5G filter,...

Tato bakalářská práce se zaměřuje na přípravu MXenů pomocí alternativních postupů, které nevyužívají kyselinu fluorovodíkovou, jež je vysoce nebezpečná. Vývoj bezpečnějších syntetických metod je důležitý vzhledem k širokému spektru slibných aplikací MXenů. V této práci byla studována příprava MXenů Ti2C, Ti3C2, Nb2C a V2C. Bylo zkoumáno několik přístupů, jako jsou (i) mechanochemická syntéza (ball-milling), (ii) chemické leptání a (iii) leptání asistované sonikací s využitím různých leptacích činidel, jako je kyselina trifluoroctová. Připravené materiály byly charakterizovány pomocí rentgenové práškové difrakce (XRD), transmisní elektronové mikroskopie (TEM), skenovací elektronové mikroskopie (SEM), rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) a energeticky disperzní rentgenové spektroskopie (EDX). Připravené MXeny byly testovány pro foto-elektrokatalytickou reakci vývoje vodíku (PEC HER). Jelikož MXeny mohou působit jako kokatalyzátory, byl zvolen systém FTO/Cu2O s cílem zvýšit jeho katalytickou aktivitu nanesením vrstvy MXenu na povrch FTO/Cu2O elektrody. Elektrochemické vlastnosti připravených kompozitních elektrod FTO/Cu2O/MXene- (Pt) byly charakterizovány metodami lineární voltametrie (LSV) a chronoamperometrie (CA), prováděnými ve dvoukomorové cele (se solárním simulátorem s filtrem AM...