CN113735124B - 一种MXene二维材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种MXene二维材料的制备方法及应用，按照摩尔比1:10～14将Ti3AlC2与NaOH分散于刚玉坩埚中；将坩埚转移到石英玻璃管抽真空并通入氮气，在400℃下反应至少24h，冷却至室温后，将所得样品用去离子水清洗，得到黑灰色液体；将黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理至少20min，得到黑灰色的悬浮液；将悬浮液置于试管中，用离心机在4000r转速下离心，得到下层沉淀，并用去离子水反复清洗，得到灰色沉淀物，将灰色沉淀物进行真空干燥处理，得到二维材料MXene。由于该材料使用NaOH进行刻蚀，故材料表面不会形成不可控的官能团，不会造成污染。
Description
技术领域
本发明实施例涉及化学技术领域，尤其是一种MXene二维材料的制备方法及应用。
背景技术
MXene，是一种新型的二维材料，主要是过渡金属碳化物或者氮化物，它一般是通过刻蚀MAX相中的A层来合成的(其中M是早期过渡金属，A主要是IIIA族或IVA族元素，X是C和/或N)。作为一种新型的二维层状材料，MXene具有优异的金属导电性，在现阶段被广泛应用于超级电容器的研发中。除此以外，MXene片还具有高应变敏感性和丰富的表面官能团，从而具有亲水表面，这一特性对于研发生物电子材料具有积极的影响。总而言之，MXene作为一种新型的二维材料，具有许多传统材料无法拥有的特性，未来将在多个方面发挥至关重要的作用。
在MAX相中，M-X键具有共价/金属/离子的混合特征，较强，而M-A是金属键，较弱，因而我们可以用化学方法去掉A层而不影响M-X键。比如，用某些刻蚀剂去掉A层或真空条件下，在熔融盐或熔融金属中高温加热MAX导致A层选择性丢失。传统的MXene 合成方法都是利用HF进行刻蚀，虽然HF能够有效地将MAX相中的A层去除，但HF本身是一种强烈的腐蚀剂，对人体有害，且会带来严重的污染。且通过HF刻蚀得到的MXene，其表面官能团无法控制。除此以外，HF中的氟离子会在一定程度还会降低材料的性能，如导电性等。因而我们急需一种无氟的方法去合成MXene。
目前，无氟合成MXene的方法有水热法或者熔融金属法，都可以去除MAX相中的A层，然而上述方法均存在一些问题，如，合成的样品纯度不够，在灵敏测试中表现不佳，需要在一千摄氏度左右的高温才可实现等。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明创造的实施例提供一种MXene二维材料的制备方法，包括：
按照摩尔比1:10～14将Ti3AlC2与NaOH均匀分散于刚玉坩埚中；
将坩埚转移到石英玻璃管抽取真空并通入氮气，在400～600℃下反应至少24h，冷却至室温后，将所得样品用去离子水清洗，得到黑灰色液体；
将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理至少20min，得到黑灰色的悬浮液。
将悬浮液置于试管中，用离心机在4000～8000r转速下离心，得到下层沉淀，用去离子水反复清洗下层沉淀后，得到灰色沉淀物，将灰色沉淀物进行真空干燥处理，得到二维材料MXene。
优选地，按照摩尔比1:12将Ti3AlC2与NaOH均匀分散于刚玉坩埚中。
优选地，将坩埚转移到石英玻璃管抽取真空并通入氮气后，在 500℃下反应48h。
优选地，升温速率为1℃/min。
优选地，MXene二维材料为手风琴层状结构。
优选地，将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理 30min，得到黑灰色的悬浮液
优选地，将悬浮液置于试管中，用离心机在6000r转速下离心。
一种MXene二维材料的应用，其特征在于，将权利要求1～8任意一项所述的MXene二维材料应用于制备超级电容或电池。
一种电容，其特征在于，包括权利要求1～8任意一项所述的 MXene二维材料。
一种电池，其特征在于，包括权利要求1～8任意一项所述的 MXene二维材料。
本发明实施例与传统通过HF刻蚀所得的MXene一样，拥有风琴状结构，能够使电子在其层间快速通过，是超级电池或电容器的潜在材料。除此以外，由于是使用NaOH进行刻蚀，故在材料的表面不会形成不可控的官能团，也不会对环境造成污染。此外本实施例中的方案不需要高温，且利用NaOH可以进行充分刻蚀，提高MXene的纯度，将MXene二维材料应用于电容或电池可以提高电容测试的灵敏性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的扫描电镜(SEM)测试图；
图2为本发明实施例的X射线衍射(XRD)测试图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的一个实施例，首先，将一定量的Ti3AlC2和NaOH按摩尔比1:12置于手套箱中，在无水无氧环境下充分研磨混合，并均匀地分散于刚玉坩埚中；然后将上述坩埚转移到石英玻璃管中，抽取真空并通入氮气，在600℃下反应48h(升温速率为1℃/min)；冷却至室温后，再将所得样品用去离子水清洗，得到黑灰色液体；将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理30min，得到黑灰色的悬浮液。将悬浮液置于试管中，用离心机在6000r转速下离心，得到下层沉淀，用去离子水反复清洗下层沉淀后，得到灰色沉淀物。最后，将灰色沉淀物进行真空干燥处理，得到产物MXene二维材料。
本发明实施例，图1a为原材料Ti3AlC2的SEM图像。从图1a 可以看到，在电镜下，原材料Ti3AlC2为块状结构，对于电子/离子的传输无积极影响。
图1b-d为实验所合成MXene的SEM图像。从图b-d可以看到，在电镜下，由熔融的NaOH制备的MXene具有明显的层状结构，类似于手风琴，这意外着原材料Ti3AlC2中间的A层，即铝层，已经成功被腐蚀掉，进而形成了这种有利于电子/离子在其中间传输的层状结构，b-d这三张SEM图直观说明了该实验的成功，即成功去除原料的A层进而制得MXene这种新型二维材料。
图2为原材料Ti3AlC2与合成MXene的Ti3C2的xrd对比图像。从图2中可以看出，由熔融NaOH合成的MXene的Ti3C2与原材料 Ti3AlC2的xrd曲线有很大不同，Ti3C2的(104)面的衍射线(即39°左右衍射线)相比较于Ti3AlC2强度有明显的下降，表明在通过高频蚀刻去除铝层后，Ti3AlC2转变为Ti3C2。此外，可以发现，由于Ti3C2 的层间间距的增加，在NaOH蚀刻分层之后，Ti3C2在9.5°的衍射峰移动到9.4°左右，移动到较低的角度，表明Ti3C2的成功剥离。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种MXene二维材料的制备方法，其特征在于，包括：
按照摩尔比1:10～14将Ti3AlC2与NaOH均匀分散于刚玉坩埚中；
将坩埚转移到石英玻璃管抽取真空并通入氮气，在400～600℃下反应至少24h，冷却至室温后，将所得样品用去离子水清洗，得到黑灰色液体；
将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理至少20min，得到黑灰色的悬浮液；
将悬浮液置于试管中，用离心机在4000～8000r转速下离心，得到下层沉淀，用去离子水反复清洗下层沉淀后，得到灰色沉淀物，将灰色沉淀物进行真空干燥处理，得到二维材料MXene。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按照摩尔比1:12将Ti3AlC2与NaOH均匀分散于刚玉坩埚中。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将坩埚转移到石英玻璃管抽取真空并通入氮气后，在500℃下反应48h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，升温速率为1℃/min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，MXene二维材料为手风琴层状结构。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理30min，得到黑灰色的悬浮液。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将悬浮液置于试管中，用离心机在6000r转速下离心。
8.一种MXene二维材料的应用，其特征在于，将权利要求1～7任意一项所述的制备方法制备的MXene二维材料应用于制备超级电容或电池。
9.一种电容，其特征在于，包括权利要求1～7任意一项所述的制备方法制备的MXene二维材料。
10.一种电池，其特征在于，包括权利要求1～7任意一项所述的制备方法制备的MXene二维材料。
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