CN108298541A - 一种二维层状MXene纳米片的制备方法 - Google Patents

一种二维层状MXene纳米片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比混合并以200～300r/min的转速球磨2～4h；将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在惰性气氛中通电点燃，得到Ti3AlC2粉体材料；步骤2，将Ti3AlC2粉体放入氢氟酸溶液中反应20～48h；离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到Ti3C2粉末材料；步骤3，将Ti3C2粉末分散在四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌10～24h；离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；步骤4，将四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在离子水中；在惰性气氛下超声0.5～2h，得到分散在去离子水中的Ti3C2MXene纳米片。本发明的有益效果：工艺流程简单、操作方便、过程可控、易于规模化制备。

Description

一种二维层状MXene纳米片的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体而言，涉及一种二维层状MXene纳米片的制备方法。
背景技术
二维材料，是指厚度只有一个或者几个原子大小的晶体材料。由于二维材料本身的结构特征使其具有优异的物理、化学、光学和电学性能，是目前国际材料科学研究的前沿焦点。石墨烯是二维材料的典型代表，除此之外，其他具有特殊性质的二维材料也相继涌现，不断发展壮大二维材料家族。近年来，一种新型的二维过渡族金属碳化物或氮化物(MXene)的发现，为二维材料家族增添了很多新成员。MXene是由三元层状化合物MAX剥离而来，MAX的化学式为Mn+1AXn(n＝1，2，3，下同)，其中M表示前过渡族金属(Ti、Nb、Ta、V、Mo、Cr、Zr)，A主要为IIIA和IVA族元素，X为碳或者氮。X原子位于紧密排列的M层的八面体中心，M层与A层交替排列形成MAX相。研究人员用氢氟酸反应蚀刻掉其中的A层，剩下Mn+1Xn层。Mn+1Xn层是只有几个原子层厚度的二维平面结构，为了强调与石墨烯(Graphene)具有类似的结构，被命名为MXene。目前已经发现的MXene材料有60多种，研究比较多的有Ti3C2、Ti2C、V2C、Nb4C3等，其具有电子导电性高、结构稳定、循环稳定性好等优点，在超级电容器和锂离子电池等领域得到了广泛的研究。
高质量的MAX前驱粉体批量化制备是MXene材料大规模应用的基础。公布号为CN104016345B的中国专利公开了一种类石墨烯二维层状碳化钛纳米片的制备方法，其中包括原位热压固液反应制备Ti3AlC2前驱粉，其制备过程中需要高温高压，对制备设备要求高。公布号为CN106220180A的中国专利申请公开了一种二维晶体MXene纳米材料的制备方法，包括利用无压烧结工艺制备高纯三元层状MAX陶瓷块体材料，但其反应原料中需采用易燃固体TiH2，仍然需要高温加热反应，得到的是Ti3AlC2块体材料，最后还需要对Ti3AlC2块体进行破碎粉化处理。因此，高效、低成本和规模化制备MAX前驱粉体仍然是一个难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高效、低成本和规模化制备MAX前驱粉体的二维层状MXene纳米片的制备方法。
本发明提供了一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，制备Ti3AlC2粉体材料：
首先将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比混合，并以200～300r/min的转速球磨2～4h；
然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；
最后放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在惰性气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，制备Ti3C2粉末材料：
首先将步骤1得到的Ti3AlC2粉体放入氢氟酸溶液中反应20～48h；
然后离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到Ti3C2粉末材料；
步骤3，制备四丁基铵离子插层Ti3C2材料：
首先将步骤2得到的Ti3C2粉末分散在四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌10～24h；
然后离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；
步骤4，制备Ti3C2MXene纳米片：
首先将步骤4得到的四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在离子水中；
然后在惰性气氛下超声0.5～2h，得到分散在去离子水中的Ti3C2MXene纳米片。
作为本发明进一步的改进，步骤1中，钛粉、铝粉和炭黑的摩尔比为(2～3)：(1～1.6)：(1～2)。
作为本发明进一步的改进，步骤2中，氢氟酸溶液的浓度为40wt％，且每40～60ml氢氟酸溶液中加入3g Ti3AlC2粉体。
作为本发明进一步的改进，步骤3中，四丁基氢氧化铵溶液的浓度为25wt％，且每50～80ml四丁基氢氧化铵溶液中加入2g Ti3C2粉末。
作为本发明进一步的改进，步骤4中，分散在去离子水中的Ti3C2MXene纳米片的浓度为0.1～10g/L。
作为本发明进一步的改进，步骤2和步骤3中的干燥方式为：在50～100℃下真空干燥或冷冻干燥。
作为本发明进一步的改进，步骤1和步骤4中惰性气氛下采用的惰性气体为氮气或氩气。
本发明的有益效果为：
1、采用自蔓延反应可以制备得到疏松的Ti3AlC2前驱粉，直接利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用，工艺简单，一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量，反应时间短，制备的Ti3AlC2前驱粉纯度高，同时由于制备设备简单，无需高温高压的反应装置以及额外的破碎粉化处理，成本低，易于规模化制备；
2、采用四丁基铵离子插层Ti3C2，增大了Ti3C2的层间距，有利于Ti3C2的剥离高效制备Ti3C2MXene纳米片，后期可以应用在超级电容器、锂离子电池、电催化和吸附等领域，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1所制备的Ti3AlC2、Ti3C2和四丁基铵离子插层Ti3C2的X射线衍射谱图；
图3为本发明实施例1所制备的Ti3AlC2材料的扫描电子显微镜照片；
图4为本发明实施例1所制备的Ti3C2的扫描电子显微镜照片；
图5为本发明实施例1所制备的四丁基铵离子插层Ti3C2材料的扫描电子显微镜照片；
图6为本发明实施例1所制备的Ti3C2MXene纳米片分散液的数码照片；
图7为本发明实施例1所制备的Ti3C2MXene纳米片的扫描电子显微镜照片，其中，图7(a)为低倍数的扫描电子显微镜照片，图7(b)为高倍数的扫描电子显微镜照片；
图8为本发明实施例1所制备的Ti3C2MXene纳米片的透射电子显微镜照片，其中，图8(a)为低倍数的透射电子显微镜照片，图8(b)为高倍数的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，制备Ti3AlC2粉体材料：
首先将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比混合，并以200～300r/min的转速球磨2～4h；
然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；
最后放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在惰性气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，制备Ti3C2粉末材料：
首先将步骤1得到的Ti3AlC2粉体放入氢氟酸溶液中反应20～48h；
然后离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到Ti3C2粉末材料；
步骤3，制备四丁基铵离子插层Ti3C2材料：
首先将步骤2得到的Ti3C2粉末分散在四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌10～24h；
然后离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；
步骤4，制备Ti3C2MXene纳米片：
首先将步骤4得到的四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在离子水中；
然后在惰性气氛下超声0.5～2h，得到分散在去离子水中的Ti3C2MXene纳米片。
进一步的，步骤1中，钛粉、铝粉和炭黑的摩尔比为(2～3)：(1～1.6)：(1～2)。
进一步的，步骤2中，氢氟酸溶液的浓度为40wt％，且每40～60ml氢氟酸溶液中加入3g Ti3AlC2粉体。
进一步的，步骤3中，四丁基氢氧化铵溶液的浓度为25wt％，且每50～80ml四丁基氢氧化铵溶液中加入2g Ti3C2粉末。
进一步的，步骤4中，分散在去离子水中的Ti3C2MXene纳米片的浓度为0.1～10g/L。
进一步的，步骤2和步骤3中的干燥方式为：在50～100℃下真空干燥或冷冻干燥。
进一步的，步骤1和步骤4中惰性气氛下采用的惰性气体为氮气或氩气。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，本发明第一实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比3：1.6：1.8混合，并以300r/min的转速球磨4h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氩气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入60ml氢氟酸溶液中反应24h，离心分离洗涤后再冷冻干燥24h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在50ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌24h；离心分离洗涤后再冷冻干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.1g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声1h，得到浓度为1g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
本实施例1所制备的Ti3AlC2、Ti3C2和四丁基铵离子插层Ti3C2的X射线衍射谱图如图2所示，从图中可以看出，采用自蔓延反应可以成功制备出结晶度好、纯度高的Ti3AlC2材料。Ti3AlC2和Ti3C2的X射线衍射谱图显示，当Ti3AlC2与氢氟酸刻蚀反应后，Ti3AlC2在9.5°附近的(002)峰消失，而在8.8°、18.3°、27.6°的位置分别出现Ti3C2的(0002)、(0004)、(0006)峰，说明Ti3AlC2经过化学刻蚀后，成功把A层铝原子层蚀刻掉了，得到了Ti3C2材料。四丁基铵离子插层Ti3C2后的X射线衍射谱图显示，(0002)衍射峰向小角度移动，从8.8°至4.8°的位置，层间距由原来的0.99nm增大到1.84nm，说明四丁基铵离子成功插入Ti3C2层间。
图3为本实施例1所制备的Ti3AlC2材料的扫描电子显微镜照片，从图3可以看出，Ti3AlC2材料具有微米块状形貌。
图4为本实施例1所制备的Ti3C2材料的扫描电子显微镜照片，从图4可以看出，Ti3C2呈明显的片层状形貌，由原来的块状转变成类似手风琴的结构，其片层之间存在着较大的空隙。
图5为本实施例1所制备的四丁基铵离子插层Ti3C2材料的扫描电子显微镜照片，从图5可以看出，四丁基铵离子插层后没有破坏Ti3C2材料的层状结构，Ti3C2片层变厚，其片层之间的间隙表窄。
图6为本实施例1所制备的Ti3C2MXene纳米片分散液的数码照片，从图6可以看出，Ti3C2MXene纳米片分散液放置几周也无明显沉淀，可实现Ti3C2MXene纳米片的规模化制备。
图7为本实施例1所制备的Ti3C2MXene纳米片的不同放大倍数的扫描电子显微镜照片，其中，图7(a)为低倍数的扫描电子显微镜照片，图7(b)为高倍数的扫描电子显微镜照片。从图7(a)可以看出，Ti3C2MXene呈现出明显的纳米片结构，其横向尺寸为2～5微米。从图7(b)可以看出，Ti3C2MXene纳米片厚度比较薄，具有一定的透光性。
图8为本实施例1所制备的Ti3C2MXene纳米片的透射电子显微镜照片，其中，图8(a)为低倍数的透射电子显微镜照片，图8(b)为高倍数的透射电子显微镜照片。从图8(a)可以看出，Ti3C2MXene纳米片呈现出类似石墨烯的柔性特征，边缘出现卷曲或者折叠的现象。从图8(b)可以看出，Ti3C2MXene纳米片的厚度在8nm左右。
实施例2，本发明第二实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比2：1：1混合，并以200r/min的转速球磨2h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氩气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入40ml氢氟酸溶液中反应20h，离心分离洗涤后再冷冻干燥24h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在50ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌10h；离心分离洗涤后再冷冻干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.01g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声0.5h，得到浓度为0.1g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例3，本发明第三实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比3：1.6：2混合，并以300r/min的转速球磨4h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氩气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入60ml氢氟酸溶液中反应48h，离心分离洗涤后再冷冻干燥36h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2gTi3C2粉末分散在50ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌24h；离心分离洗涤后再冷冻干燥36h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将1g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声2h，得到浓度为10g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例4，本发明第四实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比2.5：1.2：1.5混合，并以250r/min的转速球磨3h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氩气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入50ml氢氟酸溶液中反应36h，离心分离洗涤后再冷冻干燥30h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在60ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌16h；离心分离洗涤后再冷冻干燥30h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.5g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声1h，得到浓度为5g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例5，本发明第五实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比3：1.6：1.8混合，并以300r/min的转速球磨4h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氮气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入60ml氢氟酸溶液中反应24h，离心分离洗涤后再真空50℃干燥24h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在50ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌24h；离心分离洗涤后再真空50℃干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.1g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氮气气氛下超声1h，得到浓度为1g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例6，本发明第六实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比2：1：1混合，并以200r/min的转速球磨2h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氮气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入40ml氢氟酸溶液中反应20h，离心分离洗涤后再真空100℃干燥24h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在50ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌10h；离心分离洗涤后再真空100℃干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.01g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氮气气氛下超声0.5h，得到浓度为0.1g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例7，本发明第七实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比3：1.6：2混合，并以200r/min的转速球磨4h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氮气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入60ml氢氟酸溶液中反应48h，离心分离洗涤后再真空80℃干燥36h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在80ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌24h；离心分离洗涤后再真空80℃干燥36h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将1g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氮气气氛下超声2h，得到浓度为10g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例8，本发明第八实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比2.5：1.2：1.5混合，并以250r/min的转速球磨3h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氩气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入50ml氢氟酸溶液中反应36h，离心分离洗涤后再真空50℃干燥30h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在60ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌16h；离心分离洗涤后再真空100℃干燥30h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.5g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氮气气氛下超声1h，得到浓度为5g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例9，本发明第九实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比3：1：1混合，并以300r/min的转速球磨4h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氮气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入50ml氢氟酸溶液中反应24h，离心分离洗涤后再真空冷冻干燥24h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在70ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌16h；离心分离洗涤后再冷冻干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.2g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声1h，得到浓度为2g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例10，本发明第十实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比3：1：2混合，并以200r/min的转速球磨3h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氩气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入60ml氢氟酸溶液中反应24h，离心分离洗涤后再真空80℃干燥36h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在60ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌16h；离心分离洗涤后再真空80℃干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.6g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声1h，得到浓度为6g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例11，本发明第十一实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比2：1.6：2混合，并以250r/min的转速球磨3h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氮气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入40ml氢氟酸溶液中反应24h，离心分离洗涤后再真空50℃干燥36h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在70ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌24h；离心分离洗涤后再真空80℃干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.5g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声2h，得到浓度为5g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
实施例12，本发明第十二实施例所述的一种二维层状MXene纳米片的制备方法，包括：
步骤1，将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比2：1.6：1混合，并以300r/min的转速球磨3h；然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在氩气气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，将3g Ti3AlC2粉体放入40ml氢氟酸溶液中反应48h，离心分离洗涤后再真空100℃干燥24h，得到Ti3C2粉末材料；其中，氢氟酸溶液的浓度为市售最常用浓度40wt％；
步骤3，将2g Ti3C2粉末分散在80ml四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌10h；离心分离洗涤后再真空100℃干燥24h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；其中，四丁基氢氧化铵的浓度为市售最常用浓度25wt％；
步骤4，将0.4g四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在100ml离子水中；在氩气气氛下超声2h，得到浓度为4g/L的Ti3C2MXene纳米片分散液。
本发明的二维层状MXene纳米片的制备方法，采用自蔓延反应直接可以得到疏松的Ti3AlC2前驱粉，其利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用，工艺简单，一经引燃启动过程后就不需要对其进一步提供任何能量，反应时间短，制备的Ti3AlC2前驱粉纯度高、结晶度好，同时由于采用的制备设备简单，无需高温高压的反应装置以及额外的破碎粉化处理，整体制备的成本低，易于规模化制备。另外，本发明采用四丁基铵离子来插层Ti3C2，增大了Ti3C2的层间距，有利于Ti3C2的剥离高效制备Ti3C2MXene纳米片，制备的二维Ti3C2纳米片横向尺寸为2～5微米，厚度为8纳米左右，可实现Ti3C2纳米片的规模化制备，后期可以应用在超级电容器、锂离子电池、电催化和吸附等领域，具有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种二维层状MXene纳米片的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，制备Ti3AlC2粉体材料：
首先将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比混合，并以200～300r/min的转速球磨2～4h；
然后将混合粉末放在石墨坩埚中，并在混合粉末中埋入钨丝圈；
最后放入自蔓延反应釜中，并将钨丝线圈在惰性气氛中通电点燃，得到疏松的Ti3AlC2粉体材料；
步骤2，制备Ti3C2粉末材料：
首先将步骤1得到的Ti3AlC2粉体放入氢氟酸溶液中反应20～48h；
然后离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到Ti3C2粉末材料；
步骤3，制备四丁基铵离子插层Ti3C2材料：
首先将步骤2得到的Ti3C2粉末分散在四丁基氢氧化铵溶液中，并在室温下搅拌10～24h；
然后离心分离洗涤后再干燥24～36h，得到四丁基铵离子插层Ti3C2材料；
步骤4，制备Ti3C2MXene纳米片：
首先将步骤4得到的四丁基铵离子插层Ti3C2材料分散在离子水中；
然后在惰性气氛下超声0.5～2h，得到分散在去离子水中的Ti3C2MXene纳米片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，钛粉、铝粉和炭黑的摩尔比为(2～3)：(1～1.6)：(1～2)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，氢氟酸溶液的浓度为40wt％，且每40～60ml氢氟酸溶液中加入3g Ti3AlC2粉体。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，四丁基氢氧化铵溶液的浓度为25wt％，且每50～80ml四丁基氢氧化铵溶液中加入2gTi3C2粉末。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，分散在去离子水中的Ti3C2MXene纳米片的浓度为0.1～10g/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤3中的干燥方式为：在50～100℃下真空干燥或冷冻干燥。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1和步骤4中惰性气氛下采用的惰性气体为氮气或氩气。
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