CN112263974A - 一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法 - Google Patents

一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下:(1)向Ti3C2Tx水分散液中加入炭黑粉末,分散均匀,得到Ti3C2Tx/炭黑分散液;(2)将Ti3C2Tx/炭黑分散液进行喷雾干燥,得到固体粉末;(3)将固体粉末进一步干燥,即得。本发明所使用的喷雾干燥制备Ti3C2Tx微球的方法可连续生产,且仅需将Ti3C2Tx溶液与炭黑溶液简单混合,喷雾干燥过程较快,可以最大程度地抑制Ti3C2Tx的氧化,制备所得Ti3C2Tx/炭黑微球形貌均匀,有利于后续应用。

Description

一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法
技术领域
本发明涉及过渡金属碳/氮/碳氮化物材料的制备方法,属于新材料制备技术领域。
背景技术
Ti3C2Tx是MXene中的一种,是由Ti3AlC2经HF刻蚀并剥离所得。MXene是二维过渡金属碳/氮/碳氮化物的简称,因其是由MAX相经刻蚀之后所得到且具有与石墨烯(Graphene)相似的二维材料结构而得名。MAX相是制备MXene的前驱体,其化学式一般为Mn+1AXn,其中M代表早期过渡金属,如Ti、V、Nb、Mo等;A代表ⅢA或ⅣA族元素,如Al、Si、Pb、Sn等;X代表C或N。MAX相的结构为M层原子和A层原子交替排列成近密堆积六方层状结构,X原子填充在其八面体间隙。而MXene则是MAX相经HF等刻蚀剂刻蚀掉A层原子并剥离所得到。
喷雾干燥法是流化技术用于液态物料干燥的方法。它是将液态物料浓缩至适宜的密度后,使其雾化成细小雾滴,与一定流速的热气流进行热交换,使水分迅速蒸发,将液态物料干燥处粉末状或颗粒状的方法。
Ti3C2Tx与其他二维材料相同,具有易堆叠的缺点,同时暴露在表面的高比例的金属原子导致Ti3C2Tx在氧化性气氛中容易相变为TiO2,因此在Ti3C2Tx的应用中防止其堆叠和氧化是亟待解决的问题。
此外,也有专利文件报道,将Ti3C2Tx制备成微球,例如:CN110937603A公开了一种MXene微球及其制备方法,将MXene和二苯醚进行混合,然后高速搅拌乳化并在低温下冷冻,随后真空干燥,得到MXene微球。CN111892039A公开了一种MXene与碳纳米管的复合空心纳米球及其自催化制备方法和应用,以带正电的三聚氰胺甲醛树脂(MF)微球作为模板,通过静电相互作用将带负电的MXene纳米片包覆到MF微球上,制备得到三聚氰胺甲醛树脂与MXene的复合纳米微球,再利用浸渍法将钴离子负载到三聚氰胺甲醛树脂与MXene的复合纳米微球上,最后高温煅烧除去三聚氰胺甲醛树脂,得到MXene与碳纳米管的复合空心纳米球。上述的两种Ti3C2Tx微球的制备方法不可连续生产,且制备流程比较复杂,制备时间较长,有一部分Ti3C2Tx会在制备过程中就被氧化,制备的Ti3C2Tx微球尺寸不均匀,会对后续材料的应用产生影响。而使用喷雾干燥技术进行制备Ti3C2Tx微球的方法可连续生产,且仅需将Ti3C2Tx溶液与炭黑溶液简单混合,喷雾干燥过程较快,可以最大程度地抑制Ti3C2Tx的氧化,制备所得Ti3C2Tx/炭黑微球形貌均匀,有利于后续应用。
发明内容
针对现有技术中Ti3C2Tx易堆叠易氧化的问题,尤其是现有Ti3C2Tx微球制备方法不可连续生产、流程复杂、制备时间较长、所制备的Ti3C2Tx微球形貌不均匀的缺点,提供一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法。本发明将Ti3C2Tx通过喷雾干燥组装成Ti3C2Tx/炭黑微球,使其变成3D结构,同时减少其和空气中氧气的接触面积,抑制其氧化。
本发明的技术方案如下:
一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下:
(1)向Ti3C2Tx水分散液中加入炭黑粉末,分散均匀,得到Ti3C2Tx/炭黑分散液;
(2)将Ti3C2Tx/炭黑分散液进行喷雾干燥,得到固体粉末;
(3)将固体粉末进一步干燥,即得。
根据本发明,优选的,步骤(1)Ti3C2Tx/炭黑分散液中Ti3C2Tx与炭黑的质量比为1:(0.5-10),进一步优选1:(1-4),最优选1:1。
根据本发明,优选的,步骤(1)Ti3C2Tx/炭黑分散液的质量浓度为1-10mg/mL,进一步优选1-4mg/mL,最优选2mg/mL。
根据本发明,优选的,步骤(2)中喷雾干燥的进口温度为140-200℃,进一步优选160-180℃,最优选170℃。
根据本发明,优选的,步骤(2)中喷雾干燥的进料量10-20mL/min,进一步优选10-15mL/min,最优选11mL/min。
根据本发明,优选的,步骤(3)中干燥温度为40-100℃,进一步优选60-80℃,最优选60℃;
优选的,干燥时间为8h-16h,进一步优选12h。
根据本发明,喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,一种优选的实施方案,包括步骤如下:
(1)取40mL浓度为5mg/mL的Ti3C2Tx水分散液与60mL超纯水混合并超声分散20min,然后依次加入200mg炭黑粉末和100mL超纯水,再次超声分散20min后持续搅拌20min,获得浓度为2mg/mL均一稳定的Ti3C2Tx/炭黑分散液;
(2)采用小型喷雾干燥仪处理Ti3C2Tx/炭黑分散液获得Ti3C2Tx/炭黑微球,设置喷雾干燥仪参数为:抽气机功率100%,进口温度170℃,进料量11mL/min,喷雾气体流量40mL/min;
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h,即得到Ti3C2Tx/炭黑微球。
本发明的有益效果
1、本发明所制备的Ti3C2Tx微球所具有的球形微观结构,很好地解决了Ti3C2Tx易堆叠的问题,同时降低了Ti3C2Tx与空气的接触面积,抑制了空气中的氧气对Ti3C2Tx的氧化作用。
2、本发明所使用的喷雾干燥制备Ti3C2Tx微球的方法可连续生产,且仅需将Ti3C2Tx溶液与炭黑溶液简单混合,喷雾干燥过程较快,可以最大程度地抑制Ti3C2Tx的氧化,制备所得Ti3C2Tx/炭黑微球形貌均匀,有利于后续应用。
附图说明
图1为实施例1中制得的Ti3C2Tx/炭黑复合微球的SEM图。
图2为实施例2中制得的Ti3C2Tx/炭黑复合微球的SEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明,但不限于此。
实施例中所有原料均为常规原料,所有设备均为常规设备。
实施例1
一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下:
(1)取40mL浓度为5mg/mL的Ti3C2Tx水分散液与60mL超纯水混合并超声分散1h,然后依次加入200mg炭黑粉末和100mL超纯水,再次超声分散1h后持续搅拌2h,获得浓度为2mg/mL均一稳定的Ti3C2Tx/炭黑分散液;
(2)采用小型喷雾干燥仪处理Ti3C2Tx/炭黑分散液获得Ti3C2Tx/炭黑微球,设置喷雾干燥仪参数为:抽气机功率100%,进口温度170℃,进料量11mL/min,喷雾气体流量40mL/min;
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h,即得到Ti3C2Tx/炭黑微球。
本实施例中制得的Ti3C2Tx/炭黑复合微球的SEM图如图1所示。由图1可知,本发明制备的Ti3C2Tx/炭黑微球具有较高的比表面积且尺寸均匀,可以应用于CO2的吸附、超级电容器、电池、催化、分离等方面。
实施例2
一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下:
(1)取40mL浓度为5mg/mL的Ti3C2Tx水分散液与60mL超纯水混合并超声分散1h,然后依次加入100mg炭黑粉末和100mL超纯水,再次超声分散1h后持续搅拌2h,获得浓度为1mg/mL均一稳定的Ti3C2Tx/炭黑分散液;
(2)采用小型喷雾干燥仪处理Ti3C2Tx/炭黑分散液获得Ti3C2Tx微球,设置喷雾干燥仪参数为:抽气机功率100%,进口温度170℃,进料量11mL/min,喷雾气体流量40mL/min;
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h,即得到Ti3C2Tx/炭黑微球。
本实施例中制得的Ti3C2Tx/炭黑复合微球的SEM图如图2所示。由图2可知,本发明制备的Ti3C2Tx/炭黑微球具有较高的比表面积且尺寸均匀。
实施例3
一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下:
(1)取40mL浓度为5mg/mL的Ti3C2Tx水分散液与60mL超纯水混合并超声分散1h,然后依次加入200mg炭黑粉末和100mL超纯水,再次超声分散1h后持续搅拌2h,获得浓度为2mg/mL均一稳定的Ti3C2Tx/炭黑分散液;
(2)采用小型喷雾干燥仪处理Ti3C2Tx/炭黑分散液获得Ti3C2Tx微球,设置喷雾干燥仪参数为:抽气机功率100%,进口温度150℃,进料量10mL/min,喷雾气体流量30mL/min;
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h,即得到Ti3C2Tx/炭黑微球。
对比例1
将200mg Ti3C2Tx、200mg炭黑分别分散到100mL去离子水中,制得浓度为2mg/mL的Ti3C2Tx分散液和2mg/mL的炭黑分散液,将Ti3C2Tx分散缓慢加入到炭黑分散液中,边加入边搅拌,混合比例1:1,对混合溶液热风干燥,温度设置为150℃,制得Ti3C2Tx/炭黑复合物。
对比例1热风干燥制得的Ti3C2Tx/炭黑复合物样品形貌、尺寸无法控制,密度低。而本发明实施例1-4喷雾干燥方法制备速度更快,样品尺寸均匀,可调控,并且可连续生产。
对比例2
如实施例1所述,不同的是:设置喷雾干燥仪参数为抽气机功率100%,进口温度130℃,进料量10mL/min,喷雾气体流量30mL/min。由于进口温度较低,进料量较大,有部分Ti3C2Tx/炭黑分散液未被完全干燥,导致产量降低。
对比例3
如实施例1所述,不同的是:
调整Ti3C2Tx和炭黑的加入量,获得浓度为15mg/mL均一稳定的Ti3C2Tx/炭黑分散液。
对比例3使用较高浓度的Ti3C2Tx/炭黑分散液会导致喷雾干燥机喷头处发生堵塞,从而不利于连续生产。

Claims (10)

1.一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下:
(1)向Ti3C2Tx水分散液中加入炭黑粉末,分散均匀,得到Ti3C2Tx/炭黑分散液;
(2)将Ti3C2Tx/炭黑分散液进行喷雾干燥,得到固体粉末;
(3)将固体粉末进一步干燥,即得。
2.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(1)Ti3C2Tx/炭黑分散液中Ti3C2Tx与炭黑的质量比为1:(0.5-10)。
3.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(1)Ti3C2Tx/炭黑分散液中Ti3C2Tx与炭黑的质量比为1:(1-4)。
4.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(1)Ti3C2Tx/炭黑分散液的质量浓度为1-10mg/mL。
5.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(1)Ti3C2Tx/炭黑分散液的质量浓度为1-4mg/mL。
6.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(2)中喷雾干燥的进口温度为140-200℃。
7.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(2)中喷雾干燥的进口温度为160-180℃。
8.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(2)中喷雾干燥的进料量10-20mL/min。
9.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(2)中喷雾干燥的进料量10-15mL/min。
10.根据权利要求1所述的喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法,其特征在于,步骤(3)中干燥温度为40-100℃;优选的,干燥时间为8h-16h。
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