CN108314048B - 一种二碳化三钛MXene的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二碳化三钛MXene的制备方法，其包括有步骤：(1)备料：称取一定重量的Ti3AlC2粉体置于耐腐蚀容器中；(2)刻蚀：向所述耐腐蚀容器中加入NaF、HCl和DMSO的混合液，搅拌2～20h，得到悬浊液；(3)分离：将所述悬浊液离心分离，取下层的悬浮物；(4)清洗：将所述悬浮物用去离子水和乙醇交替洗涤，得到Ti3C2固体；(5)干燥：将在所述Ti3C2固体进行干燥，得到二碳化三钛MXene粉体。本发明的二碳化三钛MXene的制备方法，替换了有剧毒的氢氟酸，反应温和，易于控制；所制备得到的二碳化三钛MXene具有较大的层间距和较大的比表面积。

Description

一种二碳化三钛MXene的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种Ti3C2的二维晶体的制备方法。
背景技术
二维晶体材料可分为石墨烯基材料和类石墨烯材料两大类。石墨烯基材料是指包括石墨烯在内的官能团化的石墨烯材料，例如氟化石墨烯、氧化石墨烯。类石墨烯材料则是指具有石墨烯结构，包含其他元素的二维原子晶体或化合物，例如单原子层的六方BN、MoS2等。
大部分的二维晶体材料是通过化学刻蚀或机械剥离等方法剥离层间结合力较弱(范德华力)的三维层状前驱物得到的，而剥离层间结合力较强的三维层状化合物似乎是不可能的。但是，2011年Naguib和Barsoum等利用氢氟酸(HF)选择性刻蚀掉三维层状化合物Ti3AlC2中的Al原子层得到具有类石墨烯结构的二维原子晶体化合物Ti3C2。2012年他们采用同样的方法刻蚀若干与Ti3AlC2具有类似结构的陶瓷材料MAX相(Ti2AlC、Ta4AlC3、(Ti0.5,Nb0.5)2AlC、(V0.5,Cr0.5)3AlC2和Ti3AlCN)，成功的制备出了Ti2C、Ta4C3、(Ti0.5,Nb0.5)2C、(V0.5,Cr0.5)3C2、Ti3CN等相应的二维过渡金属碳化物或碳氮化物。这种具有类石墨烯结构的新型二维晶体化合物被命名为MXene。
然而，传统氢氟酸腐蚀法制备出的Ti3C2二维晶体的层间距较小，进而其比表面面积也较小，导致其各方面的材料性能还不够优异，进而其应用前景受到较大的局限；同时，氢氟酸有剧毒且腐蚀过程不易控制，通过传统氢氟酸腐蚀法来制备Ti3C2二维晶体难以进行大规模的应用。
发明内容
针对以上现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种二碳化三钛MXene的制备方法，替换了有剧毒的氢氟酸，反应温和，易于控制；所制备得到的二碳化三钛MXene具有较大的层间距和较大的比表面积。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种二碳化三钛MXene的制备方法，其包括有步骤：(1)备料：称取一定重量的Ti3AlC2粉体置于耐腐蚀容器中；(2)刻蚀：向所述耐腐蚀容器中加入NaF、HCl和DMSO的混合液，搅拌2～20h，得到悬浊液；(3)分离：将所述悬浊液离心分离，取下层的悬浮物；(4)清洗：将所述悬浮物用去离子水和乙醇交替洗涤，得到Ti3C2固体；(5)干燥：将在所述Ti3C2固体进行干燥，得到二碳化三钛MXene粉体。
该二碳化三钛MXene的制备方法制备的Ti3C2的二维晶体在生产过程中，其层间被DMSO插入，使得其层间距较大，进而其比表面积也较大，材料的性能得到很大提升。利用NaF和HCl的混合液替代氢氟酸，避免直接使用具有剧毒的氢氟酸，反应温和易于控制，便于进行大规模应用。
作为一种具体的实施例，在步骤(2)中，所述NaF、HCl和DMSO的混合液的摩尔比为3：3：(1～1.5)。根据NaF和HCl反应生成HF的化学原理，NaF和HCl的摩尔比在1：1，有利于NaF和HCl之间的充分反应。DMSO主要作用是插入二碳化三钛MXene的层间以增大二碳化三钛MXene的层间距，所述NaF、HCl和DMSO的混合液的摩尔比为3：3：(1～1.5)，DMSO的用量比较适中。
作为一种具体的实施例，在步骤(4)中，交替洗涤所述Ti3C2固体至中性。交替洗涤所述Ti3C2固体至中性即可保证所述Ti3C2固体的纯净。
作为一种具体的实施例，在步骤(5)中，所述干燥的温度为80℃。80℃的干燥温度比较适中，既能很好的干燥二碳化三钛MXene粉体，又不至于对二碳化三钛MXene粉体的物化性质产生明显影响。
作为一种具体的实施例，在步骤(5)中，所述干燥的环境为真空。真空环境利于水分从二碳化三钛MXene粉体中脱出。
作为一种具体的实施例，在步骤(5)中，所述干燥的时长为24h。制备出的二碳化三钛MXene粉体具有高度的比表面积，表面吸附较多的水，干燥较长的时间，能够将二碳化三钛MXen粉体内的水分脱干。
作为一种具体的实施例，所述耐腐蚀容器为聚四氟乙烯材质。聚四氟乙烯材质的耐腐蚀容器非常适合本发明的制备方法的进行，能够保证尽量减少对制备二碳化三钛MXene粉体过程的影响。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明实施例的一种二碳化三钛MXene的制备方法以不同蚀刻时长所制备的Ti3C2粉体的XRD图谱；
图2是本发明实施例的一种二碳化三钛MXene的制备方法所制备的Ti3C2粉体的SEM像图。
具体实施方式
实施例1
称取0.5g重量的Ti3AlC2粉体置于聚四氟乙烯罐中，再加入NaF、HCl和DMSO摩尔比为3:3:1的混合液，磁力搅拌2h，将得到的悬浊液离心分离，取下层悬浮物，用去离子水和乙醇交替洗涤至中性，再将得到的固体在80℃下真空干燥24h，即得到二碳化三钛MXene粉体。
实施例2
称取1.0g重量的Ti3AlC2粉体置于聚四氟乙烯罐中，再加入NaF、HCl和DMSO摩尔比为5:5:2的混合液，磁力搅拌5h，将得到的悬浊液离心分离，取下层悬浮物，用去离子水和乙醇交替洗涤至中性，再将得到的固体在80℃下真空干燥24h，即得到二碳化三钛MXene粉体。
实施例3
称取1.5g重量的Ti3AlC2粉体置于聚四氟乙烯罐中，再加入NaF、HCl和DMSO摩尔比为8:8:3的混合液，磁力搅拌10h，将得到的悬浊液离心分离，取下层悬浮物，用去离子水和乙醇交替洗涤至中性，再将得到的固体在80℃下真空干燥24h，即得到二碳化三钛MXene粉体。
实施例4
称取2g重量的Ti3AlC2粉体置于聚四氟乙烯罐中，再加入NaF、HCl和DMSO摩尔比为9:9:4的混合液，磁力搅拌20h，将得到的悬浊液离心分离，取下层悬浮物，用去离子水和乙醇交替洗涤至中性，再将得到的固体在80℃下真空干燥24h，即得到二碳化三钛MXene粉体。
请参阅附图1，本发明不同四种实施例之下，各自制备的二碳化三钛MXene粉体的XFD图谱，均能看出Ti3AlC2的特征峰消失，Ti3AlC2中的Al被刻蚀掉，2h的时候Ti3AlC2中的Al开始被刻蚀剥离，20h的时候，Ti3AlC2中的Al完全被刻蚀剥离。而二碳化三钛MXene的特征峰在反应发生之后则开始出现，体现制备出了二碳化三钛MXene。
请参阅附图2，可以看到，由本发明实施例的制备方法制备的二碳化三钛MXene具有较大的层间距，现有技术制备出的二碳化三钛MXene的层间距在30～40nm，而本发明实施例的制备方法制备的二碳化三钛MXene的层间距超在100nm以上。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (6)

1.一种二碳化三钛MXene的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)备料：称取一定重量的Ti3AlC2粉体置于耐腐蚀容器中；
(2)刻蚀：向所述耐腐蚀容器中加入NaF、HCl和DMSO的混合液，搅拌2～20h，得到悬浊液，其中所述NaF、HCl和DMSO的混合液的摩尔比为3：3：(1～1.5)；
(3)分离：将所述悬浊液离心分离，取下层的悬浮物；
(4)清洗：将所述悬浮物用去离子水和乙醇交替洗涤，得到Ti3C2固体；
(5)干燥：将在所述Ti3C2固体进行干燥，得到二碳化三钛MXene粉体。
2.根据权利要求1所述的二碳化三钛MXene的制备方法，其特征在于：
在步骤(4)中，交替洗涤所述Ti3C2固体至中性。
3.根据权利要求1所述的二碳化三钛MXene的制备方法，其特征在于：
在步骤(5)中，所述干燥的温度为80℃。
4.根据权利要求1所述的二碳化三钛MXene的制备方法，其特征在于：
在步骤(5)中，所述干燥的环境为真空。
5.根据权利要求1所述的二碳化三钛MXene的制备方法，其特征在于：
在步骤(5)中，所述干燥的时长为24h。
6.根据权利要求1所述的二碳化三钛MXene的制备方法，其特征在于：
所述耐腐蚀容器为聚四氟乙烯材质。
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