CN108611651A - Ti3C2量子点及其电化学制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Ti₃C₂量子点的电化学制备方法，所述该方法利用Ti₃AlC₂电极片作为工作电极，铂丝作为参比电极或对电极，0.1M的氢氧化钠溶液作为电解液，通过恒电位法制备尺寸大约在15‑20nm的Ti₃C₂量子点。在制备出Ti₃C₂量子点的基础上，还可以通过调节电解电压，来控制量子点的尺寸。制备出的Ti₃C₂量子点虽然光致发光强度较弱，但发射峰却很窄，说明其可作为良好的电子受体，从而在光催化领域有着广阔的前景。且这种量子点具有良好的抗氧化性能，在捕获羟基自由基以及检测双氧水均表现出较高的捕获效率和检测敏感度。不涉及任何有机溶剂、腐蚀性强酸，具有绿色环保、生产成本低、易于产业化的优点。

Description

Ti3C2量子点及其电化学制备方法

技术领域

本发明属于自由基清除技术领域，具体涉及一种Ti₃C₂量子点及其电化学制备方法。

背景技术

MXenes,作为一种新型二维层状的过渡金属碳氮化物，一般通过腐蚀MAX相材料中的“A”元素制备(其中A代表Al，M代表过渡族金属，X代表碳或氮)。二维层状材料MXenes因具有独特的多层结构、导电性、高比表面积、优良的化学稳定性、亲水性表面及丰富的表面官能团和良好的生物相容性等优点自2011年合成至今，MXenes及MXenes基纳米复合材料已经被广泛应用到纳米吸附、生物传感器，离子筛分、催化、锂离子电池、超级电容器、润滑等诸多领域。其中，以在电化学能量转化与存储上的研究最为突出。

尽管MXenes在生物传感方面展现出巨大潜力。但在水溶液中，它们通常表现出低光致发光(PL)反应，这明显限制了它们直接用于生物和光学应用。因为强的PL、小尺寸和光学吸收性能是纳米材料在某些生物应用中所必需的。理论和实验表明，形成量子点是解决此类问题的有效途径，因为量子点具有量子局域效应及边缘效应，相较于纳米片，量子点具有超小尺寸和荧光性能，这更有利于其在生物方面的应用。

目前，关于制备MXenes量子点的文献鲜有报道，其中报道MXenes量子点的几篇文献也都是通过先腐蚀出MAX相中的Al，再通过水热法或超声来制备出量子点，这种方法不但操作繁琐，而且在制备过程中要涉及到氢氟酸，这种强酸极具腐蚀性，所以通过这种先腐蚀再水热或超声的方法具有一定的危险性，而且不利于环境保护。因此，找出一种能够高效快速并且绿色环保的制备出MXenes量子点方法是很有必要的。

而电化学方法由于操作过程简便、整个制备过程便于统筹、未使用强氧化性酸或强还原剂、具有一定的商业可行性等优点在众多方法中脱颖而出。所谓电化学方法是指,所谓电化学法是指以高纯MAX相材料为工作电极,以铂电极或银氯化银电极为参比电极，选取合适的电解液和电解电势，通过电解水产生的高氧化性自由基,氧化切割高纯MAX相材料的方法制备MXenes量子点，而在制备过程中，可以通过调节其电解电势和电解液来控制量子点尺寸及表面官能团。电化学方法制备出的MXenes量子点由于具有较好的光致发光和超小尺寸，在生物传感方面具有巨大的应用潜力，此外其在生物抗氧化方面同样展现出良好的应用前景。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种Ti₃C₂量子点的电化学制备方法，所述制备方法选择碱性溶液作为电解液，通过恒电位电解，NaOH作为碱性切削剂，将Ti₃AlC₂中的层状结构的Ti₃C₂切成量子点,通过调节电解电压，来控制量子点的尺寸；

进一步地，所述方法包括以下步骤：

步骤1)反应容器中加入40ml的0.1mol/L的电解液，并将一片纯净的Ti₃AlC₂圆片和一根铂丝电极插入电解液中作为工作电极和对电极；

步骤2)将步骤1)中的电极连接到电化学工作站，采用电化学恒电位法制备出透明状的Ti₃C₂量子点水溶液；对该Ti₃C₂量子点水溶液进行过滤和透析，得到纯相透明状的Ti₃C₂量子点水溶液；

步骤3)将步骤2)中透析完毕的纯相透明状的Ti₃C₂量子点水溶液采用ESR能谱进行羟基自由基清除能力的检测，羟基自由基的来源为紫外光照双氧水，并且溶液中需要加入DMPO以稳定羟基自由基；

进一步地，所述步骤1)中的电解液为氢氧化钠溶液；

进一步地，所述步骤2)中的电压为3-10V，扫描时间为6-9h，对所述透明的Ti₃C₂量子点水溶液采用220nm的过滤头进行过滤，采用截留分子量为3500～14000Da的透析袋进行透析，目的是除去多余的离子，多余的离子包括Na⁺和Al⁺，透析时间为一周，每4小时换一次去离子水；

进一步地，一种电化学方法制备的Ti₃C₂量子点，所述电化学方法制备的Ti₃C₂量子点具有自由基清除能力；

本发明不仅成功制备出Ti₃C₂量子点，而且还可以通过调节电压来控制量子点尺寸大小，制备出的量子点可以有效的清除羟基自由基。整个操作过程简便、程便于统筹、并且未使用强氧化性酸或强还原剂、具有绿色环保，生产成本低、易于产业化的优点。

附图说明

图1为本发明所述Ti₃C₂量子点的快速制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1所述，本发明提供一种Ti₃C₂量子点及其电化学制备方法，利用电化学恒电位法，通过控制电压，选取合适电解液，电解时间制备出高浓度，尺寸可调的Ti₃C₂量子点，且该量子点具有优异的清除自由基的能力，是一种新的清除自由基的思路和方法。

所述具体包括以下步骤：

步骤1)反应容器中加入40ml的0.1mol/L的电解液，并将一片纯净的Ti₃AlC₂圆片和一根铂丝电极插入电解液中作为工作电极和对电极；

步骤2)将步骤1)中的电极连接到电化学工作站，采用电化学恒电位法制备出透明状的Ti₃C₂量子点水溶液；对该Ti₃C₂量子点水溶液进行过滤和透析，得到纯相透明的Ti₃C₂量子点的水溶液；

步骤3)将步骤2)中透析完毕的的Ti₃C₂量子点的水溶液采用ESR能谱进行羟基自由基清除能力的检测，羟基自由基的来源为紫外光照双氧水，并且溶液中需要加入DMPO以稳定羟基自由基。

所述步骤1)中的电解液为氢氧化钠溶液，所述步骤2)中的电压为3-10V，扫描时间为6-9h，对所述透明的Ti₃C₂量子点的水溶液采用220nm的过滤头进行过滤，采用截留分子量为3500～14000Da的透析袋进行透析，目的是除去多余的离子，透析时间为一周，每4小时换一次去离子水，所述步骤3)中进行自由基清除能力测试的样品为Ti₃C₂量子点。

一种电化学方法制备的Ti₃C₂量子点，所述电化学方法制备的Ti₃C₂量子点具有自由基清除能力。

本发明所述方法通过恒电位电化学方法制备Ti₃C₂量子点，核心在于选取合适的电解液，这种电解液必须是碱性的，第一，碱性电解液可以作为切削剂，在电压作用下，先切断Ti₃AlC₂中比键能较弱的Ti-Al和Al-C键，然后再切断Ti-Ti键和C-C键形成Ti₃C₂量子点。第二碱性电解液中的氢氧根离子与Al反应生成Al(OH)₃沉淀析出。这氧将电解后的电解液通过抽滤和透析后得到高浓度以及高纯度的Ti3C2量子点。

制备所述Ti₃C₂量子点的过程如图1，首先配制浓度为0.1mol/L,氢氧化钠溶液，之后采用电化学恒电位法制备Ti3C2水溶液，超纯Ti₃AlC₂和铂片电极为工作电极和对电极,所述工作电极、对电极置于反应装置中的电解质溶液中,电化学参数设置：恒定电压为3～10V，扫描时间为6～9h。电化学扫描完成后通过220nm的水系过滤头进行抽滤，之后放入35000～140000Da的透析袋中进行透析，每隔3h换一次去离子水，透析时间为5天。最终得到透明的Ti3C2量子点水溶液。测量溶液的浓度,并进行射线光电子能谱及红外光谱测试其元素和含氧官能团的种类及含量。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种Ti₃C₂量子点的电化学制备方法，其特征在于，所述制备方法选择碱性溶液作为电解液，通过恒电位电解，NaOH作为碱性切削剂，将Ti₃AlC₂中的层状结构的Ti₃C₂切成量子点,通过调节电解电压，来控制量子点的尺寸。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)反应容器中加入40ml的0.1mol/L的电解液，并将一片纯净的Ti₃AlC₂圆片和一根铂丝电极插入电解液中作为工作电极和对电极；

步骤2)将步骤1)中的电极连接到电化学工作站，采用电化学恒电位法制备出透明状的Ti₃C₂量子点水溶液；对该Ti₃C₂量子点水溶液进行过滤和透析，得到纯相透明状的Ti₃C₂量子点水溶液；

步骤3)将步骤2)中透析完毕的纯相透明状的Ti₃C₂量子点水溶液采用ESR能谱进行羟基自由基清除能力的检测，羟基自由基的来源为紫外光照双氧水，并且溶液中需要加入DMPO以稳定羟基自由基。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的电解液为氢氧化钠溶液。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的电压为3-10V，扫描时间为6-9h，对所述透明的Ti₃C₂量子点水溶液采用220nm的过滤头进行过滤，采用截留分子量为3500～14000Da的透析袋进行透析，目的是除去多余的离子，多余的离子包括Na⁺和Al⁺，透析时间为一周，每4小时换一次去离子水。

5.一种电化学方法制备的Ti₃C₂量子点，基于上述权利要求1-4之一所述的制备方法，其特征在于，所述电化学制备方法制备的Ti₃C₂量子点具有自由基清除能力。