CN113830743A - 一种氮化钛MXene纳米片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备氮化钛MXene纳米片的方法，属于二维材料制备领域。其具体步骤为：将Ti2AlN在氢氟酸HF和KF氟化钾的复合刻蚀溶液体系下进行反应，反应温度为25‑35℃，反应时间为6～12h。其中刻蚀过程尽量保证密封，不与外界空气接触，防止过度氧化。反应结束后，用去离子水水洗反应溶液至酸碱度接近中性，最后用真空干燥箱在30‑35℃下干燥3‑6小时，得到黑色粉末，即为氮化钛MXene(Ti2N‑MXene)。利用本发明制备的Ti2N‑MXene表面官能团丰富，亲水性好，并且结构完整，未被过度氧化，二维层状结构清晰明显，并且工艺方法简单，原料成本低，在新型二维MXene材料及其纳米量子点的抗氧化和抗菌领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备氮化钛MXene的方法，属于二维材料制备领域。
背景技术
2011年Naguib等人首次成功通过MAX相这种陶瓷材料制备出一种新型的过渡金属碳化物和/或碳氮化物，其具有独特的层状结构和优异的亲水性和电化学性能，因其独特的二维层状结构和石墨烯非常类似，因此被研究人员成为MXene，它的化学通式可以用Mn+1XnTx(n＝1,2,3)，M为过渡金属元素，如Ti；X为C或N元素；T为表面官能团，比如-OH等。近年来的研究表明，MXene在抗氧化、光催化和超级电容器等领域具有巨大的研究价值。
理论研究表明，MXene是一个大家族，但是目前仅有少数MXene材料得到了完整的制备、性能和机理研究，比如Ti3C2-MXene，所以研究者们仍然需要开发新型的MXene材料，研究成熟合理的制备工艺，比如Ti2N-MXene，它也属于MXene大家族中的一员，但是目前仍然缺少系统有效的制备方法。一般说来，MXene材料可以通过MAX相经过氢氟酸刻蚀得到。但是对于不同的MAX相和不同的MXene材料，氢氟酸的用量和刻蚀时间也应当进行调整。如果氢氟酸用量过多且反应时间过久，会导致制备得到的MXene材料被过度氧化，破坏其本征结构，不利于后续的应用研究。对于Ti2N-MXene而言，表面过渡金属Ti的3d轨道上存在着未极化的孤立或单电子，是一个不稳定的状态，因此在采用氢氟酸的刻蚀体系时，对实验条件的选择会更加敏感，我们需要调整合适的氢氟酸用量和反应时长，来得到完整理想的二维Ti2N-MXene结构。在本发明中，我们采用氢氟酸HF和KF氟化钾的复合刻蚀溶液体系来对Ti2AlN这种MAX相进行刻蚀，并保证反应在尽量隔绝空气的条件下进行，最终得到二维Ti2N-MXene。
发明内容：
本发明的目的是提供一种操作简单，经济高效的制备Ti2N-MXene的方法，可以作为清除自由基的抗氧化剂使用。具体的制备方法包含以下步骤：
(1)将Ti2AlN和KF混合均匀，加入去离子水和氢氟酸HF的混合溶液，搅拌反应6-12小时。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；
(2)反应结束后，用离心机以3000-5000转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。。
(3)离心后讲所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为30-35℃，时间为3-6小时。最终得到的黑色粉末状固体即为Ti2N-MXene。
其中步骤(1)中所述的Ti2AlN和KF的质量比为1:2，去离子水和氢氟酸HF体积比为4:1。步骤(2)中反应环境应当尽量保持密封，具体可以在真空环境下或者以特定的密封容器进行反应。步骤(2)中所采用的聚四氟乙烯材质的反应容器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明所使用的主要原料均为市面可得，原料成本低，可行性高，易于实现工业化；
2.本发明工艺简单，经济高效，产物层状结构明显，在抗氧化和超级电容器领域应用前景广阔。
3.本发明制备的Ti2N-MXene纳米片经过检测可以有效清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)这种典型的自由基，反应20分钟后，清除效率接近100％。
附图说明
附图1：实施例1中合成的Ti2N-MXene的扫描电子显微镜微观形貌照片。
具体实施方式
实施例1
将1gTi2AlN和2gKF混合均匀，加入去离子水16毫升和氢氟酸4毫升，在塑料烧杯中搅拌反应6小时，反应温度为30℃。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；反应结束后，用离心机以3000转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。离心后将所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为35℃，时间为6小时，产物SEM图见图1。本实例制备的Ti2N-MXene纳米片经过检测可以有效清除DPPH自由基，反应20分钟后，清除效率接近100％。
实施例2
将1gTi2AlN和2gKF混合均匀，加入去离子水16毫升和氢氟酸4毫升，在塑料烧杯中搅拌反应12小时，反应温度为35℃。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；反应结束后，用离心机以3500转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。离心后将所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为35℃，时间为6小时。本实例制备的Ti2N-MXene纳米片经过检测可以有效清除DPPH自由基，反应20分钟后，清除效率接近72％。
实施例3
将1gTi2AlN和2gKF混合均匀，加入去离子水16毫升和氢氟酸4毫升，在塑料烧杯中搅拌反应8小时，反应温度为35℃。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；反应结束后，用离心机以3500转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。离心后将所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为35℃，时间为6小时。本实例制备的Ti2N-MXene纳米片经过检测可以有效清除DPPH自由基，反应20分钟后，清除效率接近88％。
Claims (3)
1.一种氮化钛MXene纳米片的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：
(1)将Ti2AlN和KF混合均匀，加入去离子水和氢氟酸HF的混合溶液，搅拌反应6-12小时。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；
(2)反应结束后，用离心机以3000-5000转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液；重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性；离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显；
(3)离心后讲所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为30-35℃，时间为3-6小时，最终得到的黑色粉末状固体即为Ti2N-MXene。
2.根据权利要求1所述氮化钛MXene纳米片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的Ti2AlN和KF的质量比为1:2，去离子水和氢氟酸HF体积比为4:1。
3.根据权利要求1所述氮化钛MXene纳米片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中反应环境应当尽量保持密封，具体可以在真空环境下或者以密封容器进行反应；所述密封容器为聚四氟乙烯材质的反应容器。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211224 |