CN114276141B - 一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，包括以下步骤：S1：将升华硫和钛硫碳粉置于研钵中，在室温下充分研磨，使其充分混合均匀；S2：待研磨结束后，将混合均匀的原料粉干压制成圆片,并将圆片密封于真空石英管内；S3：石英管置于热处理炉中进行加热至不同温度进行保温，反应后降温到室温在石英管内得到硫粉和碳化钛的混合物材料；S4：用二硫化碳液体溶解硫粉，过滤和水洗后得到单相的黑色碳化钛材料。本发明中，该制备方法为碳化钛二维纳米片材料的制备提供了一条新的简便的途径，从而促进其生产发展，相比HF酸刻蚀制备二维纳米片材料，本方法具有无污染、易批量化生产和成本较低等优点。

Description

一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法
技术领域
本发明涉及功能陶瓷技术领域，尤其涉及一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法。
背景技术
MAX相是一系列三元层状化合物的总称，通式为Mn+1AXn，其中M代表过渡族金属元素，A主要指W族元素，X为碳或氮，n一般为1,2,3，分别对应于211,312,413型化合物。在MAX相中，X原子填充到M原子紧密堆垛形成的八面体结构中，而A原子则位于MX的层间。这种特殊的结构使得MAX相兼具金属和陶瓷的优良性能以及可加工性。MXene材料是一种正迅猛发展的二维材料体系。目前该类材料已在多个材料研究领域(如能源、光学、催化等)引发了全世界的关注。该材料是利用MAX相中A片层与MX片层之间的弱结合力，选用合适的刻蚀剂(如HF酸,HCl-LiF,NH4HF2)将MAX相中的A原子层剥蚀而制备的一种新型碳/氮化物二维纳米层状材料，兼具良好的导电性和亲水性。其通式可表示为Mn+1XnTx,其中T表示由化学刻蚀前驱体MAX相而产生的附着在其表面的官能团(-OH,-F,＝O等)。
现阶段制备MXene材料，主要是在溶液状态下，采用酸或碱对A原子进行刻蚀。目前广泛采用的刻蚀剂为HF酸或LiF-HCl酸，但是在刻蚀过程中产生的废液对人体和环境均有相当的危害。同时，尽管理论预测MXene具有很多优异的性能，但通过酸刻蚀过程中在其表面产生的官能团降低了MXene的性能。因此，因此开发不含表面官能团的MXene是今后的重点研究方向之一。采用HF酸制备MXene材料，效率较低，成本高昂，污染严重。因此寻找环境友好型、低生产成本、批量化生产的制备工艺十分迫切，是今后推广MXene材料的关键。
作为制备MXenes二维纳米片的发现人，Gogotsi教授尝试过采用氟和氟化氢等气体对Ti3SiC2相进行高温热处理刻蚀，但是得到的只是Ti-C-O-F的立方晶相。一个重要的原因就是MAX相中的A元素与氟或氟化氢反应后可生成金属氟化物。而生成的氟化物在气相中难以挥发，这层氟化物膜将整个MAX体相包裹住，阻止MAX和气相刻蚀剂的进一步接触、反应，从而难以得到MX相。
许多研究发现，MAX相中的A单质会与MAX相发生反应，从而使MAX相分解。由于A元素大都为Al、Si等，沸点都非常高(Al和Si的沸点分别为2327℃和2900℃)。当MAX相被A单质分解之后，A单质和分解出来的A元素都会留在试样里，并与其它分解产物反应生成含A元素的高熔点化合物。因此在这些报道中通常不会得到MX相，即使得到MX相，也都是以颗粒状形貌存在，而无法得到二维纳米片。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出无污染、易批量化生产和制备成本较低的一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，包括以下步骤：
S1：将升华硫和钛硫碳粉置于研钵中，在室温下充分研磨，使其充分混合均匀；
S2：待研磨结束后，将混合均匀的原料粉干压制成圆片,并将圆片密封于真空石英管内；
S3：石英管置于热处理炉中进行加热至不同温度进行保温，反应后降温到室温在石英管内得到硫粉和碳化钛的混合物材料；
S4：用二硫化碳液体溶解硫粉，过滤和水洗后得到单相的黑色碳化钛材料。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S1中，升华硫和钛硫碳粉体的纯度均为99％，其中，升华硫粉体粒度为50～100μm，钛硫碳粉体粒度为50～70μm。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S1中，升华硫和钛硫碳粉体的质量比例为1：(1～2)。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S1中，研钵中升华硫和钛硫碳粉的研磨时间为30min。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S2中，真空石英管的抽取真空度为10-4～10-5Pa。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S2中，干压制成的圆片的直径为10mm。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S3中，热处理炉采用马弗炉，其中，马弗炉的升温速率为10℃/min，温度为850～900℃，保温时间为10～15h。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S4中，二硫化碳液体的纯度为99％。
本发明提供了一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法。具备以下有益效果：
该制备方法为碳化钛二维纳米片材料的制备提供了一条新的简便的途径，从而促进其生产发展，相比HF酸刻蚀制备二维纳米片材料，本方法具有无污染、易批量化生产和成本较低等优点。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，包括以下步骤：
S1：将升华硫和钛硫碳粉置于研钵中，在室温下充分研磨，使其充分混合均匀；
S2：待研磨结束后，将混合均匀的原料粉干压制成圆片,并将圆片密封于真空石英管内；
S3：石英管置于热处理炉中进行加热至不同温度进行保温，反应后降温到室温在石英管内得到硫粉和碳化钛的混合物材料；
S4：用二硫化碳液体溶解硫粉，过滤和水洗后得到单相的黑色碳化钛材料。
本方法以升华硫粉体和钛硫碳(Ti2SC)粉体为原料，在密闭的石英管中进行高温热处理，以合成碳化钛二维纳米片材料，主要是由于钛硫碳中的A元素为硫，沸点非常低，只有441℃，析出的硫也会很快迅速沸腾，从而逸出试样，无法与分解产物反应，从而得到碳化钛二维纳米片材料。
步骤S1中，升华硫和钛硫碳粉体的纯度均为99％，其中，升华硫粉体粒度为50～100μm，钛硫碳粉体粒度为50～70μm。
步骤S1中，升华硫和钛硫碳粉体的质量比例为1：(1～2)。
步骤S1中，研钵中升华硫和钛硫碳粉的研磨时间为30min。
步骤S2中，真空石英管的抽取真空度为10-4～10-5Pa。
步骤S2中，干压制成的圆片的直径为10mm。
步骤S3中，热处理炉采用马弗炉，其中，马弗炉的升温速率为10℃/min，温度为850～900℃，保温时间为10～15h。
热处理的原理为：利用高温下产生的硫蒸汽诱导钛硫碳分解，生成碳化钛纳米片和硫，反应方程式如下所示：
S+Ti2SC＝Ti2C+2S
由于新生成的硫在高温下形成蒸汽,不会阻碍原料体系中的反应，可以确保钛硫碳充分地被分解成碳化钛纳米片。
步骤S4中，二硫化碳液体的纯度为99％。
实施例一
选用粒度为50微米的升华硫粉末与粒度为50微米的钛硫碳作原料，按S和Ti2SC的质量分别为1克和1克称取粉末，然后在研钵中混合30分钟，使其混合均匀，将制备的原料放入内径为45mm的石英管中，抽真空至5×10-4Pa，然后用焊枪熔化密封。置于马弗炉中进行反应合成，升温速率为10℃/min，合成温度为900℃，保温10h，随炉冷却后，用二硫化碳液体溶解硫粉，过滤和水洗后得到单相的黑色碳化钛材料。
实施例二
选用粒度为70微米的升华硫粉末与粒度为70微米的钛硫碳作原料，按S和Ti2SC的质量分别为1克和1克称取粉末，然后在研钵中混合30分钟，使其混合均匀，将制备的原料放入内径为45mm的石英管中，抽真空至5×10-5Pa，然后用焊枪熔化密封，置于马弗炉中进行反应合成，升温速率为10℃/min，合成温度为900℃，保温15h。随炉冷却后，用二硫化碳液体溶解硫粉，过滤和水洗后得到单相的黑色碳化钛材料。
实施例三
选用粒度为50微米的升华硫粉末与粒度为50微米的钛硫碳作原料，按S和Ti2SC的质量分别为1克和2克称取粉末，然后在研钵中混合30分钟，使其混合均匀，将制备的原料放入内径为45mm的石英管中，抽真空至5×10-5Pa，然后用焊枪熔化密封，置于马弗炉中进行反应合成，升温速率为10℃/min，合成温度为850℃，保温15h，随炉冷却后，用二硫化碳液体溶解硫粉，过滤和水洗后得到单相的黑色碳化钛材料。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将升华硫和钛硫碳粉置于研钵中，在室温下充分研磨，使其充分混合均匀；
S2：待研磨结束后，将混合均匀的原料粉干压制成圆片,并将圆片密封于真空石英管内；
S3：石英管置于热处理炉中进行加热至不同温度进行保温，反应后降温到室温在石英管内得到硫粉和碳化钛的混合物材料；
热处理炉采用马弗炉，马弗炉的升温速率为10℃/min，温度为850～900℃，保温时间为10～15h；
S4：用二硫化碳液体溶解硫粉，过滤和水洗后得到单相的黑色碳化钛材料；
所述步骤S1中，升华硫和钛硫碳粉体的纯度均为99％，其中，升华硫粉体粒度为50～100μm，钛硫碳粉体粒度为50～70μm；
所述步骤S4中，二硫化碳液体的纯度为99％。
2.根据权利要求1所述的一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，其特征在于：所述步骤S1中，升华硫和钛硫碳粉体的质量比例为1：(1～2)。
3.根据权利要求1所述的一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，其特征在于：所述步骤S1中，研钵中升华硫和钛硫碳粉的研磨时间为30min。
4.根据权利要求1所述的一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，其特征在于：所述步骤S2中，真空石英管的抽取真空度为10-4～10-5Pa。
5.根据权利要求1所述的一种高温硫化热处理法制备碳化钛二维纳米片的方法，其特征在于：所述步骤S2中，干压制成的圆片的直径为10mm。
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