CN110606487A - 一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene及其通用合成方法 - Google Patents

一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene及其通用合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene及其通用合成方法，属于纳米材料领域。本发明以二维的过渡金属碳化物MXene和相应的高分子模板为前驱体，通过喷雾热解技术制备了内部孔径大小可控的蜂窝状三维多孔过渡金属碳化物。本发明制得的蜂窝状三维多孔过渡金属碳化物是由二维MXene三维紧密交联而成的分级多孔三维结构，孔径大小在260‑800nm，热解时间极短，有着优异的导电性和远超二维MXene的比表面积和孔体积；极大增大了其孔隙率与离子透过性，使MXene表界面得到高效利用，提升了其应用与加工性能，在催化、能源、光电、空间技术、军工等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene及其通用合成方法
技术领域
本发明属于纳米材料领域，涉及一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene及 其通用合成方法。
背景技术
纳米材料由于尺寸效应，具有远优于宏观块体材料的物理化学性质，因而 受到广泛关注。功能纳米材料的性能很大程度上依赖于其形貌、尺寸和晶相结 构，对其微观结构进行精细调控，实现结构设计和可控构筑已成为近年来纳米 材料科学研究的热点领域。
MXene是一种通过酸刻蚀层状陶瓷材料MAX相，得到的新型过渡金属碳 化物或氮化物二维晶体。其化学式为Mn+1Xn，(n＝1、2、3，M为过渡金属元素， X为碳或氮元素)。其中Ti3C2作为MXene的一种，具有和石墨烯类似的二维结 构，以及优异的电学、力学、磁学等性能。近年来在储能、电磁屏蔽、水处理、 气体/生物传感以及光电化学催化等领域得到广泛应用。
MXene的二维纳米结构赋予其独特的性能，但MXene片层自身比表面积小， 缺乏孔隙结构，使其在加工处理过程中极易出现不可逆的堆叠及团聚，极大降 低了其比表面积、孔隙率与离子透过性，限制了其表界面的高效利用，严重影 响并限制了其在各领域的应用和加工性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种可控构筑蜂窝状三维分级多孔 MXene的通用合成方法，制备得到的产物由二维MXene片层经三维联通组装而 成，具有蜂窝状分级多孔结构，且内部孔径大小可实现人为调控，从而适应生 产过程中对于不同孔径的需要，从根本上解决了MXene比表面积小、缺乏孔隙 结构等问题，抑制了MXene的堆叠和团聚并且可以实现MXene表界面的充分 利用，解决困扰MXene性能发挥与广泛应用的基础性难题。该合成方法绿色环 保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于规模化生产。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene，该三维多孔MXene具有蜂窝状分 级多孔结构，尺寸在0.2-50μm之间，比表面积为216.5-284.7m2 g-1，孔容为 0.682-1.202cm3 g-1；具有相互贯通的蜂窝状开放孔结构，其内部孔径结构均一稳 定，可通过改变聚苯乙烯纳米球模板的大小获得孔径在260-800nm范围内任意 孔径大小的蜂窝状三维多孔结构，孔壁是厚度为2-20nm的过渡金属碳化物纳米 片。
一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene的通用合成方法，包括以下步骤：
(1)将浓度为0.5-20mg mL-1的MXene溶液与球形模板聚苯乙烯纳米球超 声分散10-60min，得到前驱体溶液。
所述MXene溶液的溶剂为水或者含有1-11个碳原子的醇类中的至少一种； 所述聚苯乙烯纳米球的直径为260-800nm，MXene与聚苯乙烯纳米球的质量比 为0.01-100。
(2)利用超声雾化器将步骤(1)得到的前驱体溶液雾化为尺寸约数微米 的气溶胶微液滴。
(3)以惰性气体为载气，将步骤(2)得到的气溶胶微液滴吹入预设温度 为400-800℃的高温炉内进行快速干燥，干燥时间低于1min，此过程中聚苯乙 烯纳米球受热分解，得到蜂窝状三维多孔MXene纳米颗粒。
所述惰性气体为氮气、氩气和氦气中的至少一种，载气流速为0.1-5.0L h-1。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明解决了二维MXene比表面积 低、孔径结构难以设计构筑以及制备、加工和应用的难题，具体为：
(1)在结构内部，MXene之间以三维网络方式交织并互相支撑，且三维结 构之间存在均匀丰富的多孔结构，能够高效抑制MXene之间由于范德华相互作 用引起的层叠与团聚；同时可精细调控其内部孔结构，实现孔径结构在 260-800nm之间的均匀分布。
(2)制备得到的三维MXene具有优于二维MXene的比表面积和内部孔容， 在不同极性的溶剂中均表现出良好的分散性，在固态条件下亦不易团聚，具有 优异的加工特性和结构稳定性。
(3)本发明可以实现对三维MXene的结构、尺寸等的精细调控，工艺简 单，可连续化生产，过程绿色环保，易于规模化生产；在储能、催化、光电材 料、生物药物、电磁屏蔽、吸波材料等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中400℃制备的孔径为260nm的蜂窝状三维多孔 MXene的扫描电子显微镜照片；
图2是本发明实施例1中400℃制备的孔径为260nm的蜂窝状三维多孔 MXene的透射电子显微镜照片；
图3是本发明实施例2中600℃制备的孔径为430nm的蜂窝状三维多孔 MXene的透射电子显微镜照片；
图4是本发明实施例3中800℃制备的孔径为800nm的蜂窝状三维多孔 MXene的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
针对现有技术的诸多缺陷，提出本发明的技术方案，如下将对该技术方案、 其实施过程及原理等作进一步的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内， 本发明的上述各技术特征和在实施例中具体描述的各技术特征之间都可以相互 结合，从而构成新的或者优选的技术方方案。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
1)将MXene与粒径为260nm的聚苯乙烯纳米球分散在乙醇中(MXene与 聚苯乙烯纳米球的质量比为1：0.01)，并超声分散30min，配制MXene浓度为 20mg mL-1的前驱体溶液。
2)利用超声雾化器将步骤1)中得到的前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的 气溶胶微液滴。
3)以Ar气为载气，载气流速为0.1L h-1，将步骤2)中得到的气溶胶微液 滴吹入预设温度为400℃的管式炉，热解1min得到蜂窝状三维多孔MXene结 构。获得的蜂窝状三维多孔MXene颗粒为平均尺寸约3.5μm、由MXene三维紧 密交联组装而成、具有内径为260nm的蜂窝状多孔形貌的三维结构颗粒，其比 表面积为284.7m2 g-1，孔容为1.202cm3 g-1。
实施例2
1)将MXene与粒径为430nm的聚苯乙烯纳米球(MXene与聚苯乙烯纳米 球的质量比为1：1)分散在水中，并超声分散30min，配制MXene浓度为10mg mL-1的前驱体溶液。
2)利用超声雾化器将步骤1)中得到的前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的 气溶胶微液滴。
3)以Ar气为载气，载气流速为2L h-1，将2)中所述气溶胶微液滴吹入预 设温度为600℃的管式炉内热解，热解时间30s，得到蜂窝状三维多孔MXene 结构。获得的蜂窝状三维多孔MXene颗粒为平均尺寸约3.5μm、由MXene三维 紧密交联组装而成、具有内径为430nm的蜂窝状多孔形貌的三维结构颗粒，其 比表面积为227.8m2 g-1，孔容为0.715cm3 g-1。
实施例3
1)将MXene与粒径为800nm的聚苯乙烯纳米球(MXene与聚苯乙烯纳米 球的质量比为1：100)分散在水中，并超声分散60min，配制MXene浓度为0.5mg mL-1的前驱体溶液。
2)利用超声雾化器将步骤1)中得到的MXene前驱体溶液雾化为尺寸约数 微米的气溶胶微液滴。
3)以Ar气为载气，载气流速为5L h-1，将步骤2)中所得到的气溶胶微液 滴吹入预设温度为800℃的管式炉中热解，热解时间10s，得到蜂窝状三维多孔 MXene结构。获得的蜂窝状三维多孔MXene颗粒为平均尺寸约3.5μm、由MXene 三维紧密交联组装而成、具有内径为800nm的蜂窝状多孔形貌的三维结构颗粒， 其比表面积为216.5m2 g-1，孔容为0.682cm3g-1。
应当理解的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在 于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制 本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖 在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种孔径可控的蜂窝状三维多孔MXene的通用合成方法，其特征在于，该通用合成方法包括以下步骤：
(1)将浓度为0.5-20mg mL-1的MXene溶液与聚苯乙烯纳米球超声分散，得到前驱体溶液；所述聚苯乙烯纳米球的直径为260-800nm；MXene与聚苯乙烯纳米球的质量比为0.01-100；
(2)利用超声雾化器将步骤(1)得到的前驱体溶液雾化为成气溶胶微液滴；
(3)以惰性气体为载气，将步骤(2)得到的气溶胶微液滴吹入预设温度为400-800℃的高温炉内进行快速干燥和热解，热解时间低于1min，热解过程中聚苯乙烯纳米球受热分解，得到蜂窝状三维多孔MXene纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的通用合成方法，其特征在于，所述步骤(1)中，MXene溶液的溶剂为水或含有1-11个碳原子的醇类中的至少一种；所述超声分散的时间为10-60min。
3.根据权利要求1或2所述的通用合成方法，其特征在于，所述步骤(3)中，惰性气体为氮气、氩气和氦气中的至少一种，载气流速为0.1-5.0L h-1。
4.采用权利要求1-3任一所述的通用合成方法得到的蜂窝状三维多孔MXene纳米颗粒，其特征在于，所述的蜂窝状三维多孔MXene的尺寸为0.2-50μm，比表面积为216.5-284.7m2g-1，孔体积为0.682-1.202cm3 g-1；且具有相互贯通的蜂窝状开放孔结构，其内部孔径结构均一稳定，通过改变聚苯乙烯纳米球的尺寸可获得孔径在260-800nm范围内任意孔径大小的蜂窝状三维多孔结构，孔壁是厚度为2-20nm的过渡金属碳化物纳米片。
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