CN117378019A - 磁性材料、电磁元件和磁性材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明其目的在于,提供一种层状粒子的取向性优异,能够发挥磁特性和导电性,并且作为膜的成型性也良好的磁性材料。本发明的磁性材料,其中,包含具有1个或多个层的层状材料的粒子、和磁性金属离子,所述层包括:由下式:MmXn表示的层主体(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下);存在于该层主体的表面的修饰或末端T(T是从羟基、氟原子、氯原子、氧原子和氢原子所构成的群中选择的至少一种),所述粒子的厚度的平均值为1nm以上且10nm以下,所述粒子的层与所述磁性金属离子相接触。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料、电磁元件和磁性材料的制造方法。
背景技术
近年来,作为具有1个或多个层的形态的层状材料、所谓二维材料,备受注目的有MXene、石墨烯、黑磷等。MXene是具有导电性的新材料,如后述,是具有1个或多个层的形态的层状材料。一般来说,MXene具有这样的层状材料的粒子(可包括粉末、薄片、纳米片等)的形态。
目前,面向将MXene应用于各种电气器件的各类研究正在进行。面对上述应用,要求提高含有MXene的材料的导电性、强度等特性。作为此研究的一环,是尝试在MXene中插入金属离子。例如在专利文献1中提出得到使未进行分层处理的MXene与金属盐接触而成的粉末。另外,在专利文献2中提出得到将MXene与氧化铁混合而成的粉末。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:中国专利申请公开第111629575号公报
专利文献2:中国专利申请公开第110591641号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是,根据本发明人等的研究,在依据专利文献1、2的方法而导入有金属离子的复合材料中,MXene未经分层,多个层厚厚地重叠的层状粒子杂乱地存在,若从复合材料整体来看,则认为层状粒子的取向性未必充分,层状粒子与金属离子的接触面积也不足够大。或是出于这个原因,不能充分满足导电性、磁特性。另外,也无法确认作为膜的成型性。
本发明其目的在于,提供一种层状粒子的取向性优异,能够发挥磁特性和导电性,并且作为膜的成型性也良好的磁性材料。
解决问题的手段
本发明包括以下的发明。
[1]一种磁性材料,其中,包含具有1个或多个层的层状材料的粒子、和磁性金属离子,
所述层包括:
由下式:MmXn表示的层主体(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下);存在于该层主体的表面的修饰或末端T(T是从羟基、氟原子、氯原子、氧原子和氢原子所构成的群中选择的至少一种),
所述粒子的厚度的平均值为1nm以上且10nm以下,
所述粒子的层与所述磁性金属离子相接触。
[2]根据[1]所述的磁性材料,其中,所述磁性金属离子,存在于相互邻接的所述层与层之间。
[3]根据[1]或[2]所述的磁性材料,其中,最大饱和磁化强度为0.01emu/cm3以上。
[4]根据[1]~[3]中任一项所述的磁性材料,其中,所述磁性金属离子为Fe离子和/或Co离子。
[5]根据[1]~[4]中任一项所述的磁性材料,其中,所述MmXn由Ti3C2表示。
[6]根据[1]~[5]中任一项所述的磁性材料,其中,电导率为500S/cm以上。
[7]一种含有[6]所述的磁性材料的磁性膜或磁性结构体。
[8]一种含有[7]所述的磁性膜或磁性结构体的磁性物品。
[9]一种磁性膜或磁性结构体的制造方法,其中,包括如下工序:
(p)使包含1个或多个层的层状材料的粒子与磁性金属离子接触的工序;和
(q)由至少含有所述层状材料的粒子的浆料形成膜或结构体的工序,
所述层包括:
由下式:MmXn表示的层主体(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下);存在于该层主体的表面的修饰或末端T(T是从羟基、氟原子、氯原子、氧原子和氢原子所构成的群中选择的至少一种),
所述粒子的厚度的平均值为1nm以上且10nm以下。
[10]根据[9]所述的磁性膜或磁性结构体的制造方法,其中,在所述工序(q)中,使用含有与所述磁性金属离子接触后的层状材料的粒子的浆料。
[11]根据[9]所述的磁性膜或磁性结构体的制造方法,其中,在所述工序(p)中,使存在于所述膜或结构体中的层状材料的粒子与磁性金属离子接触。
发明的效果
根据本发明,能够提供一种层状粒子的取向性优异,能够发挥磁特性和导电性,并且作为膜的成型性也良好的磁性材料。
附图说明
图1是表示可利用于本发明的一个实施方式的磁性材料的层状材料即MXene的概略示意剖视图,(a)表示单层MXene,(b)表示多层(例示为两层)MXene。
图2是本发明的磁性材料的取向性的机制的概略说明图,示出含有磁性金属离子的MXene膜(磁性材料)。
图3是说明本发明的含有过渡元素的MXene粒子的层间距离的图。
图4是本发明的磁性膜的外观照片,(a)是实施例3所得到的磁性膜的外观照片,(b)是比较例2所得到的磁性膜的外观照片。
图5是通过实施例1所得到的磁性材料的磁化率测量而取得的磁滞。
具体实施方式
(实施方式1:磁性材料)
以下,对于本发明的一个实施方式的磁性材料进行详述,但本发明不受这一实施方式限定。
本实施方式的磁性材料,包含具有1个或多个层的层状材料的粒子、和磁性金属离子。
所述层状材料的层,包括:
由下式:MmXn表示的层主体(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下);存在于该层主体的表面的修饰或末端T(T是从羟基、氟原子、氯原子、氧原子和氢原子所构成的群中选择的至少一种)。
在本说明书中,将不含所述磁性金属离子的层状材料称为“MXene”,将此粒子称为“MXene粒子”。另外,为了将MXene粒子中相邻2个层之间存在磁性金属离子的粒子,与不含所述磁性金属离子的MXene加以区别,而称之为“含有磁性金属离子的MXene粒子”。
上述层状材料,可作为层状化合物理解,也表示为“MmXnTs”,s是任意的数,历来,有时也使用x或z代替s。代表性的是,n可以为1、2、
3或4,但不限于此。
MXene的上述式中,优选M是从Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和Mn所构成的群中选择的至少1个,更优选是从Ti、V、Cr和Mo所构成的群中选择的至少1个。
可知MXene中,上式:MmXn以如下方式表达。
Sc2C、Ti2C、Ti2N、Zr2C、Zr2N、Hf2C、Hf2N、V2C、V2N、Nb2C、Ta2C、Cr2C、Cr2N、Mo2C、Mo1.3C、Cr1.3 C、(Ti,V)2C、(Ti,Nb)2C、W2C、W1.3 C、Mo2N、Nb1.3 C、Mo1.3 Y0.6C(上式中,“1.3”和“0.6”分别意味着约1.3(=4/3)和约0.6(=2/3)。),
Ti3 C2、Ti3N2、Ti3(CN)、Zr3 C2、(Ti,V)3C2、(Ti2Nb)C2、(Ti2Ta)C2、(Ti2Mn)C2、Hf3 C2、(Hf2V)C2、(Hf2Mn)C2、(V2Ti)C2、(Cr2Ti)C2、(Cr2V)C2、(Cr2Nb)C2、(Cr2Ta)C2、(Mo2 Sc)C2、(Mo2Ti)C2、(Mo2Zr)C2、(Mo2Hf)C2、(Mo2V)C2、(Mo2Nb)C2、(Mo2Ta)C2、(W2Ti)C2、(W2Zr)C2、(W2Hf)C2,
Ti4N3、V4C3、Nb4C3、Ta4C3、(Ti,Nb)4C3、(Nb、Zr)4C3、(Ti2Nb2)C3、(Ti2Ta2)C3、(V2Ti2)C3、(V2Nb2)C3、(V2Ta2)C3、(Nb2Ta2)C3、(Cr2Ti2)C3、(Cr2V2)C3、(Cr2Nb2)C3、(Cr2Ta2)C3、(Mo2Ti2)C3、(Mo2Zr2)C3、(Mo2Hf2)C3、(Mo2V2)C3、(Mo2Nb2)C3、(Mo2Ta2)C3、(W2Ti2)C3、(W2Zr2)C3、(W2Hf2)C3、(Mo2.7V1.3)C3(上式中,“2.7”和“1.3”分别意味着约2.7(=8/3)和约1.3(=4/3)。)
代表性的是,在上式中,M是钛或钒,X是碳原子或氮原子。例如,MAX相是Ti3AlC2,MXene是Ti3 C2Ts(换言之,M是Ti,X是C,n是2,m是3)。
还有,在本发明中,MXene也可以比较少量地含有残留A原子,例如相对于本来的A原子为10质量%以下。A原子的残留量,可优选为8质量%以下,更优选为6质量%以下。但是,即使A原子的残留量高于10质量%,根据磁性材料的用途和使用条件,也可能没有问题。
相当于本实施方式的层状材料的粒子骨架的结构,在含有磁性金属离子的MXene粒子的情况、与不含磁性金属离子的MXene粒子的情况下,除去层状材料的层间距离扩大等,是相同的。以下,对于不含磁性金属离子的MXene粒子的骨架进行说明,但除了未图示磁性金属离子以外,同样的说明对于含有磁性金属离子的MXene粒子骨架中也适用。
所述MXene粒子,是图1(a)示意性例示的含有1个层的MXene10a(单层MXene)的集合物。MXene10a更详细地说,是具有由MmXn表示的层主体(MmXn层)1a、和存在于层主体1a的表面(更详细地说,是各层相互对置的2个表面的至少一方)的修饰或末端T3a、5a的MXene层7a。因此,MXene层7a也表示为“MmXnTs”,s是任意的数。
构成本实施方式的磁性材料的层状材料,可包括1个层和多个层。作为所述多个层的MXene(多层MXene),如图1(b)示意性地显示,可列举2个层的MXene10b,但不限于这些示例。图1(b)中的1b、3b、5b、7b,与前述的图1(a)的1a、3a、5a、7a相同。多层MXene的相邻2个MXene层(例如7a与7b),不一定完全分离,也可以部分地接触。所述MXene10a是通过上述多层MXene10b各个地分离而以单个层存在的,也可以残留未经分离的多层MXene10b。例如所述层状材料,也可以是上述单层MXene10a与多层MXene10b的混合物。
并非限定本实施方式,但MXene的各层(相当于上述的MXene层7a、7b)的厚度,例如为0.8nm以上且5nm以下,特别是0.8nm以上且3nm以下(主要根据各层所包含的M原子层的数量而不同)。可包含的多层MXene的各个层叠体中,层间距离(或空隙尺寸,图1(b)中由Δd表示),例如为0.8nm以上且8nm以下,特别是0.8nm以上且5nm以下,更特别约为1nm。所述MXene的各层的厚度和层间距离,例如,能够通过X射线衍射法测量。层总数的平均值可以为2以上且10以下。
上述MXene,含有经过层间剥离处理而得到的层数少的MXene(包括单层MXene和多层MXene)。所谓所述“层数少”,是指例如MXene的层叠数为10层以下,优选为6层以下。以下,将此“层数少的多层MXene”称为“少层MXene”。优选少层MXene的层叠方向的厚度为15nm以下,优选为10nm以下。另外,单层MXene与少层MXene一并称为“单层·少层MXene”。
由于含有单层·少层MXene,有MXene的比表面积变大的倾向,其结果是,磁性金属离子与层状材料的接触面积大,并且,取向性良好,能够进一步提高磁特性和导电性。例如在本实施方式的磁性材料所含的层状材料的粒子(全MXene)中,单层·少层MXene的比例优选为80体积%以上,更优选为90体积%以上,进一步优选为95体积%以上。另外,更优选单层MXene的体积大于少层MXene的体积。另外MXene的真密度,不会因存在形态而大幅变动,因此,也可以说更优选单层MXene的质量的合计,大于少层MXene的质量的合计。处于这些关系的情况下,既能够进一步增大层状材料与磁性金属离子的接触面积,又能够提高层状材料的取向性,能够进一步提高性能。在本实施方式的磁性材料中,从磁特性和导电性的观点出发,优选层状材料只由单层MXene形成。
所述层状材料的粒子的厚度的平均值为1nm以上且10nm以下。所述厚度的平均值优选为7nm以下,更优选为5nm以下。另一方面,若考虑单层MXene的厚度,则粒子的厚度的下限如上述为1nm。上述粒子的厚度,如果是单层MXene,则相当于上述图1的MXene层7a的厚度,作为多层MXene(优选为少层MXene),例如像图1(b)这样为2层时,则相当于MXene层7a的厚度、空隙Δd和MXene层7b的厚度的合计。还有在本说明书中,所述粒子的厚度,意思是所述粒子所包含的层在层叠方向(与粒子的层垂直的方向)的长度。
粒子的层的总数或厚度的平均值如下而求得。即,使用原子力显微镜(AFM),如后述的实施例拍摄照片,以照片中任意选择的50个MXene粒子作为对象,求得各MXene粒子的层的总数或厚度,求得平均值。
与粒子的层平行的平面内的最大尺寸的平均值,优选为0.1μm以上且20μm以下。由于上述最大尺寸的平均值优选为0.1μm以上,磁性金属离子与层状材料的接触面积更大,且层状材料的取向性也提高,因此,例如能够使磁特性和导电性提高。另一方面,例如从成形性等的观点出发,上述最大尺寸的平均值,优选为20μm以下,更优选为15μm以下,进一步优选为10μm以下。
与粒子的层平行的平面内的最大尺寸的平均值如下而求得。即,使用扫描型电子显微镜(SEM),如后述的实施例拍摄照片,以照片中任意选择的50个MXene粒子作为对象,求得与各MXene粒子的展开面平行的方向(平面)的最大尺寸,求得50个的平均值。
本实施方式的磁性材料,含有磁性金属离子。磁性金属离子,优选显示出强磁性、顺磁性的金属离子,例如,可列举Mg、Fe、Ni、Co、Cu、Zn等的过渡金属元素的离子;稀土类元素的离子等。作为磁性金属离子,可以使用一种,也可以组合两种以上使用。作为这样的两种磁性金属离子的组合,可列举Fe离子与Co离子的组合等。作为磁性金属离子,尤其能够使用过渡金属元素的离子,特别是能够使用Fe离子、Co离子,或Fe离子与Co离子的组合。
所述磁性金属离子,优选与所述层状材料的粒子的层接触,存在于相互邻接的2个所述层之间。
所述磁性金属离子例如为Fe离子时,如图2中示意性地例示,磁性金属离子(图2的情况为,Fe离子41)被插层在MXene粒子10d的层7d间,Fe离子担载于含有磁性金属离子的MXene粒子10d的层7d间,可认为Fe离子41发挥着连接层7d与层7d的作用效果。其结果是,在所述现有的只混合MXene和磁性金属磁性材料中,MXene粒子的层与磁性金属离子的接触面积和MXene层的取向性不充分,磁特性、导电性、成膜性也不足,相对于此,则认为能够提高MXene粒子10d的层7d与磁性金属离子41的接触面积,并且MXene粒子10d的层7d的取向性良好,能够发挥磁特性、导电性,成膜性也良好。此外,磁性金属离子(图2的情况是,Fe离子41)连接MXene粒子10d的层7d,可认为也有助于确保由磁性材料形成的磁性膜和磁性结构体的强度。此外,虽然只是推测,但认为所述磁性金属离子7d与构成MXene粒子10d的层接触,优选为存在于构成MXene粒子10d的层7d与层7d之间,则所述磁性金属离子(图2的情况是Fe离子41)在与层的平面平行的方向上取向,同时与存在于MXene粒子10d的层7d表面的元素相互作用,这成为磁特性提高的一个因素。
还有上述中,以多层MXene(粒子)的层间为例进行了说明,但在本实施方式的MXene粒子中,所谓“相互邻接的层与层之间”,并不限于此,例如,还指单层MXene(粒子)与其他单层MXene(粒子)之间、单层MXene(粒子)与多层MXene(粒子)之间、多层MXene(粒子)与多层MXene(粒子)之间。
本实施方式的磁性材料,优选为在构成MXene的层与层之间存在磁性金属离子,构成MXene的层与层之间的距离,比不含所述磁性金属离子的MXene膜短。上述所谓“构成MXene的层与层之间的距离”,在MmXn为由Ti3 C2表示的Ti3 C2O2(O-term)的情况下,晶体结构如图3中示意性地显示(图3中,50是钛原子,51是氧原子,关于其他元素则省略),是指此图3中由双箭头表示的距离。上述距离,能够在X射线衍射测量得到的XRD线形中的、相当于MXene的(002)面的11°(deg)以下的低角度峰的位置(2θ)判断。XRD线形的峰角度越高,表示层间距离越窄。所述峰是指峰顶。所述X射线衍射测量,在后述实施例所示条件下测量即可。作为上述低角度峰的位置(2θ),例如可列举5~11°的范围,其中也可列举例如6.2°以上,进一步为6.3°以上。
还有,在本说明书中XRD线形的峰,将高于前后1个测量点的数值(换言之就是具有正极值)部分作为峰顶点,从该峰顶点向基线引垂线时的高度作为峰高度时,峰高度是指相当于(002)面的峰的1/500以上。
所述磁性材料的磁性金属离子浓度,以质量标准计,例如为0.01ppm以上,10ppm以上,进一步为500ppm以上为宜,例如为50质量%以下,20质量%以下,进一步为10质量%以下为宜。
磁性金属离子含有率,能够使用电感耦合等离子体原子发射光谱分析法由ICP-AES测量。
本实施方式的磁性材料的最大饱和磁化强度,例如优选为0.03emu/cm3以上,进一步为0.04emu/cm3以上,例如为100emu/cm3以下,进一步为50emu/cm3以下为宜。
所述磁性材料的最大饱和磁化强度,能够使用振动样品磁强计(VSM)进行测量。
所述磁性材料的电导率,例如优选为500S/cm以上,更优选为1,000S/cm以上,特别优选为1,500S/cm以上,例如为100,000S/cm以下,进一步为5,0000S/cm以下为宜。
本实施方式的磁性材料的电导率,可以将磁性材料的厚度、和由4探针法测量的磁性材料的表面电阻率代入下式而求得,为5000S/cm以上。
电导率[S/cm]=1/(磁性材料的厚度[cm]×磁性材料的表面电阻率[Ω/□])
所述磁性材料的厚度,能够用测微计、扫描型电子显微镜或触针式表面轮廓测量仪测量。所述磁性材料的测量方法,根据所述磁性材料的厚度决定。作为测量方法的采用标准,用所述测微计的测量,用于所述磁性材料的厚度薄的情况即可。也可以用于所述磁性材料的厚度为5μm以上的情况。用所述触针式表面轮廓测量仪的测量,用于所述磁性材料的厚度为400μm以下的情况,用所述扫描型电子显微镜的测量,用于所述磁性材料的厚度为200μm以下的情况,或不能用上述触针式表面轮廓测量仪测量的情况。用所述扫描型电子显微镜测量的情况,测量倍率根据膜厚决定即可。用触针式表面轮廓测量仪测量时,使用VeecoInstruments Inc社的Dektak(注册商标)测量仪测量。所述磁性材料的厚度,作为平均值计算出。
所述磁性材料,可以具有浆料、粘土等作为不定形材料的形态;或具有膜、结构体等作为定形材料的形态。所述不定形材料、定形材料,除了磁性材料以外,能够进一步包含陶瓷、金属和树脂材料之中的1种以上的材料。
作为上述陶瓷,可列举二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氧化镁、氧化铈、氧化锌、钛酸钡、六角铁氧体、莫来石等金属氧化物;氮化硅、氮化钛、氮化铝、碳化硅、碳化钛、碳化钨、碳化硼、硼化钛等的非氧化物陶瓷。作为上述金属,可列举铁、钛、镁、铝和以其为基础的合金。
另外,作为上述树脂材料(聚合物),可列举纤维素系和合成高分子系。作为上述聚合物,例如,可列举亲水性聚合物(包括在疏水性聚合物中调配有亲水性助剂而呈现出亲水性的、和对于疏水性聚合物等的表面进行了亲水化处理的)、疏水性聚合物。作为所述亲水性聚合物,可列举包含从如下物质所构成的群中选择的1种以上:聚砜、乙酸纤维素、再生纤维素、聚醚砜、水溶性聚氨基甲酸乙酯、聚乙烯醇、藻酸钠、丙烯酸系水溶性聚合物、聚丙烯酰胺、聚苯胺磺酸和尼龙。另外,作为所述疏水性聚合物,可列举聚乙烯亚胺(PEI)、聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、阻燃性聚酰亚胺这样含有二级氨基的聚酰亚胺(PI),作为具有氨基甲酸酯键(-NHCO-)的聚合物种类,可列举聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚丙烯酰胺(PMA)、尼龙(聚酰胺系树脂)、DNA(脱氧核糖核酸)、乙酰苯胺、对乙酰氨基酚等。
所述复合材料中包含的所述树脂材料(聚合物)的比例,能够根据用途适宜设定。例如所述聚合物的比例,以在复合材料(干燥时)中所占比例计,可以高于0体积%,例如为80体积%以下,此外可以在50体积%以下,进一步为30体积%以下,更进一步为10体积%以下,再进一步为5体积%以下。
制造所述复合材料的方法没有特别限定。作为一个方式,如果本实施方式的复合材料含聚合物,具有片状的形态,则例如可列举如以下所例示这样,混合所述磁性材料,并形成涂膜。
首先,将所述磁性材料存在于溶剂中的磁性材料水分散体、磁性材料有机溶剂分散体、或磁性材料粉末和聚合物混合即可。上述磁性材料水分散体的溶剂,代表性的是水,根据情况,也可以较少量地(以总体标准计,例如为30质量%以下,优选为20质量%以下)含有水以外的其他液状物质。
上述磁性材料和树脂材料(聚合物)的搅拌、能够使用匀浆器、推进式搅拌机、薄膜旋回型搅拌机、行星式搅拌机、机械式振动机、涡流混合器等分散装置进行。
为了形成复合材料的片材,将上述磁性材料和聚合物的混合物,也就是浆料涂布在基材(例如基板)上即可,但涂布方法没有限定。例如,可列举:使用单流体喷嘴、双流体喷嘴、气刷等的喷嘴进行喷涂的方法;使用台式涂布机、逗号涂布机、棒涂机的狭缝涂布;丝网印刷、金属掩模印刷等的方法;利用旋涂、浸渍、滴下进行的涂布方法。
上述涂布和干燥,可以根据需要反复进行多次,直到取得希望厚度的膜。干燥和硬化,例如,可以使用常压烘箱或真空烘箱,以400度以下的温度进行。
本实施方式的复合材料,是含有陶瓷或金属的复合材料时,作为其制造方法,可列举如下方法:将例如粒状的所述磁性材料、和例如粒状的陶瓷或金属混合,以可维持所述磁性材料组成的低温加热而制造复合材料的方法。
此外,所述不定形材料,除了磁性材料以外,还能够含有分散介质等。
作为所述分散介质,可列举水;N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、二甲基亚砜、乙二醇、乙酸等有机系介质等。
本实施方式的磁性材料和含有所述磁性材料的磁性膜及磁性结构体,作为磁性物品,能够利用于任意适合的用途。例如,可以利用于任意适合的电气器件·磁性器件中的电磁屏蔽(EMI屏蔽)、电感器、电抗器、电机、磁传感器、磁性存储介质等要求磁特性的用途。
(实施方式2:磁性膜或磁性结构体的制造方法)
以下,对于本发明的实施方式的磁性材料的制造方法进行详述,但本发明不受这一实施方式限定。
本实施方式的1个磁性膜或磁性结构体的制造方法,包括如下工序:
(p)使含有1个或多个层的层状材料的粒子、与磁性金属离子接触的工序;和
(q)由至少含有所述层状材料的粒子的浆料形成磁性膜或磁性结构体的工序,
所述层包括:
由下式:MmXn表示的层主体(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下);存在于该层主体的表面的修饰或末端T(T是从羟基、氟原子、氯原子、氧原子和氢原子所构成的群中选择的至少一种),
所述粒子的厚度的平均值为1nm以上且10nm以下。
以下,有时将工序(p)、(q)中使用的层状材料的粒子称为“单层·少层MXene粒子”。即,也可以说在所述工序(p)中,使所述单层·少层MXene粒子与磁性金属离子接触,在所述工序(q)中,由至少含有所述单层·少层MXene粒子的浆料形成磁性膜或磁性结构体。另外,有时将磁性膜简称为“膜”,将磁性结构体简称为“结构体”。
·工序(p)
使单层·少层MXene粒子与磁性金属离子接触。例如,使含有所述磁性金属离子的溶液与单层·少层MXene粒子接触即可。接触的方法可以是将单层·少层MXene粒子与含有磁性金属离子的溶液混合,当单层·少层MXene粒子存在于膜或结构体中时,可以向所述膜或结构体进行涂布含有所述磁性金属离子的溶液,特别是将所述膜或结构体浸渍到含有所述磁性金属离子的溶液中。
含有所述磁性金属离子的溶液,优选包括含有所述磁性金属的化合物和溶剂。作为含有所述磁性金属的化合物,可列举含有所述磁性金属的盐,例如,优选使用从所述磁性金属的硫酸盐、硝酸盐、乙酸盐、磷酸盐所构成的群中选择的1种以上的无机酸盐,硝酸盐、乙酸盐更为优选。作为反阴离子源,能够使用所述无机酸盐,但酸并非必需。
所述溶液中的所述化合物的浓度,例如可以为0.001M以上,0.01M以上,例如为0.5M以下,0.2M以下。
另外,所述化合物的量,相对于100g所述单层·少层MXene,例如可以为0.1摩尔以上,0.5摩尔以上,1摩尔以上,例如为10摩尔以下,5摩尔以下,2摩尔以下。
作为所述溶剂,可列举水(例如,蒸馏水、去离子水等的净化水等);碳数2~4左右的低级醇系溶剂(例如,乙醇、异丙醇、丁醇等);己烷等的烃系溶剂;丙酮等的酮系溶剂等,优选为水。
在所述涂布方法中,例如,包括浸渍、刷毛、辊、辊涂机、空气喷涂、无气喷涂、帘流涂布、辊帘涂布、狭缝涂布、静电涂装等涂装方法。
所述涂布(特别是浸渍)后,例如,也可以用水清洗之后进行干燥。所述干燥温度可以为10~160℃,干燥时间可以为1~50小时。所述干燥可以分低温干燥与高温干燥两个阶段实施,所述低温干燥时的干燥温度可以为10~50℃,高温干燥时的干燥温度可以为60~160℃。
·工序(q)
由至少含有所述单层·少层MXene粒子的浆料形成膜或结构体。在所述浆料中,可以只包含未担载磁性金属离子的单层·少层MXene粒子,也可以包含担载有磁性金属离子的单层·少层MXene粒子。
所述浆料中的单层·少层Mxene粒子或担载有磁性金属离子的单层·少层MXene粒子的浓度,例如可以为5mg/mL以上,10mg/mL以上,20mg/mL以上,30mg/mL以上,并为200mg/mL以下。所述浓度越高,越容易增厚膜或结构体,适合工业量产。可以担载所述磁性金属离子的单层·少层MXene粒子的浓度,可理解为浆料中的固体成分浓度,所述固体成分浓度,例如可以使用加热干燥重量测量法、冷冻干燥重量测量法、过滤重量测量法等测量。
所述浆料,可以是在液状介质中含有可以担载所述磁性金属离子的单层·少层MXene的分散液和/或悬浮液。所述液状介质,可以是水性介质和/或有机系介质,优选为水性介质。所述水性介质,代表性的是水,根据情况,也可以较少量地(以水性介质总体标准计,例如为30质量%以下,优选为20质量%以下)包含水以外的其他液状物质。所述有机系介质,例如,可以是N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇、二甲基亚砜、乙二醇、乙酸等。
由所述浆料形成膜或结构体的方法,可以是吸滤、喷涂、丝网印刷、棒涂等。
所述膜或结构体可以形成于基材上。所述基材可以由任意适当的材料构成。基材例如可以是树脂薄膜、金属箔、印刷电路板、安装型电子元件、金属销、金属布线、金属丝等。
所述膜或结构体的形成后,优选进行干燥。干燥可以在自然干燥(代表性的是在常温常压下,配置在空气气氛中)或空气干燥(喷送空气)等的温和的条件下进行,也可以在暖风干燥(喷送加热的空气)、加热干燥、和/或真空干燥等的比较激烈的条件下进行。
所述工序(p)和工序(q)可以按任意顺序实施,例如,在工序(p)之后实施工序(q),也可以在工序(q)之后实施工序(p)。
即,在一个方式中,在工序(p)中,优选使存在于所述膜或结构体中的层状材料的粒子与磁性金属离子接触,这一方式的制造方法,优选包括如下工序:
(q1)由含有所述层状材料的粒子的浆料形成膜或结构体的工序;和
(p1)使存在于所述膜或结构体中的层状材料的粒子、与磁性金属离子接触的工序。
即使在形成膜或结构体之后,是不是因为所述层状材料的粒子是单层·少层MXene粒子,所以仍可以使磁性金属离子与层状材料的粒子接触,优选导入层状材料的粒子的层与层之间,这一点受到注目。
·工序(q1)
作为由含有所述层状材料的粒子的浆料形成膜或结构体的工序,在工序(p)的说明中,上述条件均能够采用。
·工序(p1)
在工序(p1)中,将磁性金属离子导入膜或结构体。作为使层状材料的粒子与磁性金属离子接触的方法,与工序(p)同样,可列举使单层·少层MXene粒子与含有磁性金属离子的溶液接触的方法。作为用于含有所述磁性金属离子的溶液的含磁性金属的化合物和溶剂,能够按照使工序(p)的说明中记载的化合物和溶剂成为上述浓度或相对于单层·少层MXene的量来进行使用。
作为使所述单层·少层MXene粒子与含有磁性金属离子的溶液接触的方法,在上述方法之中,特别可列举含有单层·少层MXene粒子和磁性金属离子的溶液的涂布,尤其是浸渍。
使层状材料的粒子与磁性金属离子接触后,可以通过工序(p)的说明中记载的方法干燥。
另外,另一方式是,在工序(q)中,优选使用含有与所述磁性金属离子接触之后的层状材料的粒子的浆料,这一方式的制造方法,优选包括如下工序:
(p2)使包含1个或多个层的层状材料的粒子、与磁性金属离子接触,得到磁性金属离子与此层相接触的层状材料的粒子(以下,有时称为“磁性金属离子担载MXene粒子”)的工序;和
(q2)由含有所述磁性金属离子担载MXene粒子的浆料形成膜或结构体的工序。
即使是与磁性金属离子接触的后的层状材料的粒子,是不是因为所述层状材料的粒子是单层·少层MXene粒子,所以成膜性、成型性仍良好。另外,由于所得到的磁性材料显示导电性,所以也喻示着MXene粒子的层的取向性良好,这一点受到注目。
·工序(p2)
在工序(p2)中,作为使层状材料的粒子与磁性金属离子接触的方法,与工序(p)同样,可列举使单层·少层MXene粒子与含有磁性金属离子的溶液接触的方法。作为用于含有所述磁性金属离子的溶液的含磁性金属的化合物和溶剂,能够按照使工序(p)的说明中记载的化合物和溶剂成为上述的浓度或相对于单层·少层MXene的量而加以使用。
作为使所述单层·少层MXene粒子与含有磁性金属离子的溶液接触的方法,在上述方法之中,特别可列举单层·少层MXene粒子与含有磁性金属离子的溶液的混合。
使层状材料的粒子与磁性金属离子接触后,可以通过工序(p)的说明中记载的方法进行干燥。
·工序(q2)
能够通过与工序(q)的说明中记载的方法同样的方法,制备浆料,形成膜或结构体。
所述单层·少层MXene,例如能够由以下的方法(第1制造方法)制造。第1制造方法包括:
(a)准备前驱体,该前驱体由下式:MmAXn表示(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,A是至少一种的第12、13、14、15、16族元素,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下);
(b1)进行蚀刻处理,使用蚀刻液,从所述前驱体至少除去一部分A原子;
(c1)水洗经过所述蚀刻处理而得到的蚀刻处理物;
(d1)进行1价的金属离子的插层处理,其中,包括将所述经水洗而得到的水洗处理物、与含有1价金属离子的金属化合物混合的工序;
(e)进行分层处理,其中,包括对于进行所述1价金属离子的插层处理而得到的插层处理物进行搅拌的工序;
(f)用水清洗经分层处理而得到的分层处理物,得到单层·少层MXene粒子。
另外,所述单层·少层MXene粒子,也可以由以下方法(第2制造方法)制造。第2制造方法包括:
(a)准备前驱体,该前驱体由下式:MmAXn表示(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,A是至少一种的第12、13、14、15、16族元素,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下);
(b2)使用包含含有1价金属离子的金属化合物的蚀刻液,进行从所述前驱体除去至少一部分A原子的蚀刻处理,并且进行1价金属离子的插层处理;
(c2)对进行所述蚀刻处理和1价金属离子的插层处理而得到的(蚀刻+插层)处理物进行水洗;
(e)进行分层处理,其中,包括搅拌经过所述水洗而得到的水洗处理物的工序。
·工序(a)
首先,准备规定的前驱体。在本实施方式中可使用的规定的前驱体,是作为MXene的前驱体的MAX相,其由下式:MmAXn表示(式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,X是碳原子、氮原子或它们的组合,A是至少一种的第12、13、14、15、16族元素,n为1以上且4以下,m大于n并在5以下)。
上述M、X、n和m是如MXene中说明的。A是至少一种的第12、13、14、15、16族元素,通常是A族元素,代表性的是IIIA族和IVA族,更详细地说可包括从Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb、P、As、S和Cd所构成的群中选择的至少一种,优选为Al。
MAX相具有由A原子构成的层位于以MmXn表示的2个层(各X可具有位于M的八面体阵列内的晶格)之间的晶体结构。MAX相代表性的是,在m=n+1的情况下,具有如下重复单元,即在n+1层的M原子的层各层间,各一层地配置X原子的层(将其合在一起也称为“MmXn层”),作为第n+1个M原子的层的下一层而配置A原子的层(“A原子的层”),但不限定于此。
上述MAX相,能够由已知的方法制造。例如将TiC粉末、Ti粉末和Al粉末用球磨机混合,所得到的混合粉末在Ar气氛下烧成,得到烧制体(块状MAX相)。其后,用端铣刀粉碎得到的烧制体,可得到下道工序用的粉末状MAX相。
·工序(b1)
在第1制造方法中,进行蚀刻处理,使用蚀刻液,从所述前驱体去除至少一部分A原子。蚀刻处理的条件未特别限定,能够采用已知条件。如前述的蚀刻,可以使用含F-的蚀刻液实施,例如,可列举使用氢氟酸的方法、使用氢氟酸和盐酸的混合液的方法、使用氟化锂和盐酸的混合液的方法等。蚀刻液中也可以还包含磷酸等。在这些方法中,作为与上述酸等的溶剂,例如可列举与纯水的混合液。作为通过上述蚀刻处理而得到的蚀刻处理物,可列举例如浆料。
·工序(c1)
水洗经过所述蚀刻处理而得到的蚀刻处理物。通过进行水洗,能够充分除去上述蚀刻处理中使用的酸等。与蚀刻处理物混合的水量和清洗方法没有特别限定。例如可列举添加水,进行搅拌、离心分离等。作为搅拌方法,可列举使用手动摇动器、自动摇动器、剪切混合器、罐磨机等的搅拌。搅拌速度、搅拌时间等搅拌程度,根据作为处理对象的酸处理物的量和浓度等调整即可。所述用水的清洗进行1次以上即可。优选用水进行多次清洗。例如具体来说,可列举在2次以上,例如15次以下的范围内,进行如下工序(i)~(iii):(i)(在蚀刻处理物或下述(iii)中得到的剩余沉淀物中)加水搅拌,(ii)对搅拌物进行离心分离,(iii)在离心分离后废弃上清液。
·工序(d1)
进行1价金属的插层处理,其中,包括将经由所述水洗而得到的水洗处理物、与含有1价金属离子的金属化合物混合的工序。
作为构成含有所述1价金属离子的金属化合物的1价金属离子,可列举锂离子、钠离子和钾离子等碱金属离子、铜离子、银离子、金离子等。作为含有所述1价金属离子的金属化合物,可列举上述金属离子与阳离子结合的离子性化合物。例如可列举上述金属离子的碘化物、磷酸盐、含硫酸盐的硫化物盐、硝酸盐、乙酸盐、羧酸盐。作为所述1价金属离子,如前述优选锂离子,作为含1价金属离子的金属化合物,优选含锂离子的金属化合物,更优选锂离子的离子性化合物,进一步优选锂离子的碘化物、磷酸盐、硫化物盐之中的1个以上。如果使用锂离子作为金属离子,则与锂离子水合的水具有最负的介电常数,因此认为容易单层化。
1价金属离子的插层处理用调合物中所占的含1价金属离子的金属化合物的含有率,优选为0.001质量%以上。上述含有率更优选为0.01质量%以上,进一步优选为0.1质量%以上。另一方面,从溶液中的分散性的观点出发,优选使含有1价金属离子的金属化合物的含有率为10质量%以下,更优选为1质量%以下。
插层处理的具体方法未特别限定,例如,对于上述MXene的水分介质粘土,混合含有1价金属离子的金属化合物,可以进行搅拌,也可以静置。例如可列举在室温下搅拌。上述搅拌的方法,例如,可列举使用搅拌器等搅棒的方法、使用搅拌叶片的方法、使用混合器的方法、和使用离心装置的方法等,搅拌时间可根据单层·少层MXene粒子的制造规模设定,可列举例如设定在12~24小时之间。
在第2制造方法中,工序(b2)一并进行前驱体的蚀刻处理和1价金属离子的插层处理。
·工序(b2)
在第2制造方法中,使用包括含有1价金属离子的金属化合物的蚀刻液,从所述前驱体,蚀刻(除去和根据情况进行层分离)至少一部分A原子(以及根据情况M原子的一部分),并且进行1价金属离子的插层处理。
在本实施方式中,进行1价金属离子的插层处理,从MAX相蚀刻(除去和根据情况进行层分离)至少一部分A原子(以及根据情况M原子的一部分)时,在MmXn层的层间插入1价金属离子。
作为含有1价金属族离子的含金属化合物,能够使用第1制造方法的工序(d1)所示的离子性化合物。蚀刻液中的含1价金属离子的金属化合物的含有率,优选为0.001质量%以上。上述含有率更优选为0.01质量%以上,进一步优选为0.1质量%以上。另一方面,从溶液中的分散性的观点出发,优选使蚀刻液中的含1价金属离子的金属化合物的含有率为10质量%以下,更优选为1质量%以下。
工序(b2)中的蚀刻液,包括含有1价金属离子的金属化合物即可,蚀刻液其他构成未特别限定,能够采用已知的条件。例如像上述工序(b1)中所述,能够使用还含有F-的蚀刻液实施,例如,可列举使用氢氟酸的方法、使用氢氟酸和盐酸的混合液的方法、使用氟化锂和盐酸的混合液的方法等。在蚀刻液中也可以还包含磷酸等。在这些方法中,作为与上述酸等的溶剂,例如可列举使用与纯水的混合液。作为经由上述蚀刻处理而得到的蚀刻处理物,例如可列举浆料。
·工序(c2)
水洗实施所述蚀刻处理和1价金属离子的插层处理而得到的(蚀刻+插层)处理物。通过进行水洗,能够充分除去上述(蚀刻+插层)处理中使用的酸等。与(蚀刻+插层)处理物混合的水量和清洗方法没有特别限定。例如可列举加水进行搅拌、离心分离等。作为搅拌方法,可列举使用手动摇动器、自动摇动器、剪切混合器、罐磨机等的搅拌。搅拌速度、搅拌时间等的搅拌程度,根据作为处理对象的酸处理物的量和浓度等调整即可。所述用水的清洗进行1次以上即可。优选用水进行多次清洗。例如具体来说,可列举在2次以上,例如15次以下的范围内,进行如下工序(i)~(iii):(i)(在(蚀刻+插层)处理物或下述(iii)中得到的剩余沉淀物中)加水搅拌,(ii)对搅拌物进行离心分离,(iii)在离心分离后废弃上清液。
在第1制造方法和第2制造方法之中,如第1制造方法,根据分为工序(b1)蚀刻处理的工序与工序(d1)1价金属离子的插层处理的工序的制造方法,更容易使MXene单层化,因此优选。
·工序(e)
进行分层处理,其中,包括对于第1制造方法中的通过工序(d1)的1价金属离子的插层处理所得到的1价金属离子的插层处理物、或第2制造方法中的通过工序(c2)的水洗而得到的水洗处理物进行搅拌的工序。通过此分层处理,能够实现MXene的单层·少层化。分层处理的条件未特别限定,能够用已知的方法进行。例如作为搅拌方法,可列举使用超声波处理、手动摇动器、自动摇动器等的搅拌。搅拌速度、搅拌时间等的搅拌程度,根据作为处理对象的处理物的量和浓度等调整即可。例如,对于上述插层后的浆料进行离心分离并废弃上清液之后,在剩余沉淀物中添加纯水-用手动摇动器或自动摇动器进行搅拌以进行层分离。未剥离物的除去,可列举经离心分离并废弃上清液后,用水清洗剩余的沉淀物的工序。例如,例如,可列举(i)在上清液废弃后的剩余沉淀物中,追加纯水并搅拌,(ii)进行离心分离,(iii)回收上清液。重复此(i)~(iii)的操作1次以上,优选为2次以上,且10次以下,作为分层处理物,得到酸处理前的含单层·少层MXene的上清液。或者,也可以对此上清液进行离心分离,废弃离心分离后的上清液,作为分层处理物,得到酸处理前的含单层·少层MXene的粘土。
在本实施方式的制造方法中,作为分层也可以不进行超声波处理。不进行超声波处理时,粒子破坏难以发生,容易得到与粒子的层平行的平面、即2维面大的单层·少层MXene粒子。
经搅拌得到的分层处理物,可以直接作为单层·少层MXene粒子使用,也可以根据需要用水清洗。
以上,对于本发明的实施方式的磁性材料、磁性膜、磁性结构体、含有这些的物品以及磁性膜和磁性结构体的制造方法进行了详述,但可以进行各种改变。还有,本发明的磁性材料、磁性膜和磁性结构体,可以通过与上述实施方式的制造方法不同的方法制造,另外应注意的是,本发明的磁性膜和磁性结构体的制造方法,不只限于提供上述实施方式的磁性膜和磁性结构体。
实施例
通过以下的实施例,更具体地说明本发明,但本发明不受其限定。
〔磁性金属离子担载MXene膜的制造〕
(实施例1)
·单层·少层MXene粒子的制备
作为MAX粒子,通过已知方法制备Ti3AlC2粒子。将此Ti3AlC2粒子(粉末)与LiF一起添加到9摩尔/L的盐酸中(每1g的Ti3AlC2粒子,对应1g的LiF,10mL的9摩尔/L的盐酸),以35℃用搅拌器搅拌24小时,得到含有来自Ti3AlC2粒子的固体成分的固液混合物(悬浮液)。
对于所述固液混合物(悬浮液),重复实施10次左右用纯水清洗以及用离心分离机通过倾析而分离除去上清液(对于除去了上清液的剩余沉降物再次实施清洗)的操作。然后,对于在沉降物中添加了纯水的混合物,用自动摇动器搅拌15分钟,其后,以离心分离机施加5分钟的离心分离操作而使之分离成上清液和沉降物,通过离心脱水而分离除去上清液。由此,通过在除去了上清液的剩余沉降物中添加纯水进行稀释,得到粗提纯浆料。
粗提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,可包含单层MXene粒子、和由于层分离(分层)不足而未单层化的多层MXene粒子,此外,还包含MXene粒子以外的杂质(未反应的MAX粒子、和来自被蚀刻的A原子的副产物的结晶物(例如AlF3的结晶物)等)。
将上述得到的粗提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以2600×g的相对离心力(RCF)进行5分钟离心分离。通过倾析回收由此被离心分离的上清液,得到提纯浆料。提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,大部分的MXene是分层完毕的单层MXene。除去了上清液的剩余沉降物,此后不再使用。
·由含有单层·少层MXene粒子的浆料形成膜
将上述得到的提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以3500×g的相对离心力(RCF)进行120分钟离心分离。通过倾析将由此被离心分离的上清液分离除去。分离除去的上清液此后不再使用。作为除去了上清液的剩余沉降物,得到粘土状物质(clay)。由此,作为MXene粘土,得到Ti3 C2Ts-水分散体粘土。将此MXene粘土与纯水按适当量混合,准备固体成分浓度(MXene浓度)约34mg/mL的MXene浆料。用玻璃吸管取5mL的MXene水分散体(MXene固体成分浓度34mg/mL),吸滤一晚,得到过滤膜。过滤膜使用孔径0.45μm的薄膜过滤器(Merck株式会社制,Durapore)。
·单层·少层MXene粒子与Fe离子的接触
接着,量取2.020g硝酸铁(III)九水合物(和光·富士胶片株式会社制),加入纯水使总量达到50mL,制作0.1M硝酸铁(III)水溶液。在制作的0.1M硝酸铁(III)水溶液20mL中浸入前述制作的MXene过滤膜,室温下放置24小时。24小时后,从硝酸铁(III)水溶液中取出MXene过滤膜,用纯水清洗表面之后,在室温下再放置一天使之干燥,其后在80℃真空烘箱中干燥一晩,得到导入有铁(III)离子的过滤膜。
(实施例2)
·单层·少层MXene粒子的制备
作为MAX粒子,通过已知方法制备Ti3AlC2粒子。将此Ti3AlC2粒子(粉末)与LiF一起添加到9摩尔/L的盐酸中(每1g的Ti3AlC2粒子,对应1g的LiF,10mL的9摩尔/L的盐酸),以35℃用搅拌器搅拌24小时,得到含有来自Ti3AlC2粒子的固体成分的固液混合物(悬浮液)。对其反复实施10次左右用纯水清洗以及使用离心分离机通过倾析分离除去上清液(对于除去了上清液的剩余沉降物再施加清洗)的操作。然后,对于在沉降物中添加了纯水的混合物用自动摇动器搅拌15分钟,之后,用离心分离机施加5分钟的离心分离操作而使之分离成上清液和沉降物,通过离心脱水分离除去上清液。由此,通过在除去了上清液的剩余沉降物中添加而进行稀释,得到粗提纯浆料。粗提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,可包含单层MXene、和由于层分离(分层)不足而未单层化的多层MXene,此外,还包含MXene粒子以外的杂质(来自未反应的MAX粒子和被蚀刻的A原子的副产物的结晶物(例如AlF3的结晶物)等)。
将上述得到的粗提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以2600×g的相对离心力(RCF)进行5分钟的离心分离。通过倾析回收由此经离心分离的上清液,得到提纯浆料。提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,大部分的MXene是分层完毕的单层MXene。除去了上清液的剩余沉降物,此后不再使用。
将上述得到的提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以3500×g的相对离心力(RCF)进行120分钟的离心分离。通过倾析分离除去由此经离心分离的上清液。分离除去的上清液,此后不再使用。作为除去了上清液的剩余沉降物,得到粘土状物质(clay)。由此,作为MXene粘土,得到Ti3C2Ts-水分散体粘土。将此MXene粘土与纯水按恰当量混合,准备固体成分浓度(MXene浓度)约34mg/mL的MXene浆料。
·由含有单层·少层MXene粒子的浆料形成膜
用玻璃吸管取10mL的MXene水分散体(MXene固体成分浓度34mg/mL),吸滤两晩,得到过滤膜。过滤膜使用孔径0.45μm的薄膜过滤器(Merck株式会社制,Durapore)。
·单层·少层MXene粒子与Co离子的接触
接着,量取1.25g乙酸钴(II)四水合物(和光·富士胶片株式会社制),加入纯水使总量达到50mL,制作0.1M乙酸钴(II)水溶液。在制作的0.1M乙酸钴(II)水溶液20mL中浸入前述制作的MXene过滤膜,室温下放置24小时。24小时后,从乙酸钴(II)水溶液中取出MXene过滤膜,用纯水清洗之后,在室温下再放置一天使之干燥,其后在80℃真空烘箱中干燥一晩,得到导入有钴(II)离子的过滤膜。
(实施例3)
·单层·少层MXene粒子的制备
作为MAX粒子,以已知方法制备Ti3AlC2粒子。将此Ti3AlC2粒子(粉末)与LiF一起添加到9摩尔/L的盐酸中(每1g的Ti3AlC2粒子,对应1g LiF,10mL的9摩尔/L的盐酸),以35℃用搅拌器搅拌24小时,得到含有来自Ti3AlC2粒子的固体成分的固液混合物(悬浮液)。对其反复实施10次左右用纯水清洗以及使用离心分离机通过倾析分离除去上清液(对于除去了上清液的剩余沉降物再施加清洗)的操作。然后,对于在沉降物中添加了纯水的混合物用自动摇动器搅拌15分钟,之后,用离心分离机施加5分钟的离心分离操作而使之分离成上清液和沉降物,通过离心脱水分离除去上清液。由此,通过在除去了上清液的剩余沉降物中添加而进行稀释,得到粗提纯浆料。粗提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,可包含单层MXene,和由于层分离(分层)不足而未单层化的多层MXene,此外,还包含MXene粒子以外的杂质(来自未反应的MAX粒子和被蚀刻的A原子的副产物的结晶物(例如AlF3的结晶物)等)。
将上述得到的粗提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以2600rcf的离心力进行5分钟的离心分离。通过倾析回收由此经离心分离的上清液,得到提纯浆料。提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,大部分的MXene是分层完毕的单层MXene。除去了上清液的剩余沉降物,此后不再使用。
·单层·少层MXene粒子与Fe离子的接触
将上述得到的提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以3500×g的相对离心力(RCF)进行120分钟的离心分离。通过倾析分离除去由此经离心分离的上清液。分离除去的上清液,此后不再使用。作为除去了上清液的剩余沉降物,得到粘土状物质(clay)。由此,作为MXene粘土,得到Ti3C2Ts-水分散体粘土。将此MXene粘土与纯水按恰当量混合,准备固体成分浓度(MXene浓度)约34mg/mL的MXene浆料。
·由包含担载有Fe离子的单层·少层MXene粒子的浆料形成膜
用玻璃吸管取上述得到的10mLMXene浆料,与实施例1同样制作的0.1M硝酸铁(III)水溶液30mL混合,此后吸滤2晩,用纯水清洗之后得到过滤膜。过滤膜使用孔径0.45μm的薄膜过滤器(Merck株式会社制,Durapore)。由此方法得到的膜是可取得完美圆形(薄薄膜过滤器的形状)的膜(图4(a))。接着,在室温放置24小时,24小时后,再在室温下放置一天,其后在80℃真空烘箱中干燥一晩,得到导入有Fe(III)离子的过滤膜。
(比较例1)
作为MAX粒子,以已知方法制备Ti3AlC2粒子。将此Ti3AlC2粒子(粉末)与LiF一起添加到9摩尔/L的盐酸中(每1g的Ti3AlC2粒子,对应1g的LiF,10mL的9摩尔/L的盐酸),以35℃用搅拌器搅拌24小时,得到含有来自Ti3AlC2粒子的固体成分的固液混合物(悬浮液)。对其反复实施10次左右用纯水清洗以及使用离心分离机通过倾析分离除去上清液(对于除去了上清液的剩余沉降物再施加清洗)的操作。然后,对于在沉降物中添加了纯水的混合物用自动摇动器搅拌15分钟,之后,用离心分离机施加5分钟的离心分离操作而使之分离成上清液和沉降物,通过离心脱水分离除去上清液。由此,通过在除去了上清液的剩余沉降物中添加而进行稀释,得到粗提纯浆料。粗提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,可包含单层MXene、和由于层分离(分层)不足而未单层化的多层MXene,此外,还包含MXene粒子以外的杂质(来自未反应的MAX粒子和被蚀刻的A原子的副产物的结晶物(例如AlF3的结晶物)等)。
将上述得到的粗提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以2600×g的相对离心力(RCF)进行5分钟的离心分离。通过倾析回收由此经离心分离的上清液,得到提纯浆料。提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,大量包含单层MXene。除去了上清液的剩余沉降物,此后不再使用。
将上述得到的提纯浆料放入离心管,使用离心分离机,以3500×g的相对离心力(RCF)进行120分钟的离心分离。通过倾析分离除去由此经离心分离的上清液。分离除去的上清液,此后不再使用。作为除去了上清液的剩余沉降物,得到粘土状物质(clay)。由此,作为MXene粘土,得到Ti3C2Ts-水分散体粘土。将此MXene粘土与纯水按恰当量混合,准备固体成分浓度(MXene浓度)约34mg/mL的MXene浆料。
用玻璃吸管取5mL的MXene水分散体(MXene固体成分浓度34mg/mL),吸滤一晩,得到过滤膜。过滤膜使用孔径0.45μm的薄膜过滤器(Merck株式会社制,Durapore)。接着在室温放置24小时,24小时后,再在室温下放置一天,其后在80℃真空烘箱中干燥一晩,得到对照的过滤膜。
(比较例2)
作为MAX粒子,以已知方法制备Ti3AlC2粒子。将此Ti3AlC2粒子(粉末)与LiF一起添加到9摩尔/L的盐酸中(每1g的Ti3AlC2粒子,对应1g的LiF,10mL的9摩尔/L的盐酸),以35℃用搅拌器搅拌24小时,得到含有来自Ti3AlC2粒子的固体成分的固液混合物(悬浮液)。对其反复实施10次左右用纯水清洗以及使用离心分离机通过倾析分离除去上清液(对于除去了上清液的剩余沉降物再施加清洗)的操作。然后,对于在沉降物中添加了纯水的混合物用自动摇动器搅拌15分钟,之后,用离心分离机施加5分钟的离心分离操作而使之分离成上清液和沉降物,通过离心脱水分离除去上清液。由此,通过在除去了上清液的剩余沉降物中添加而进行稀释,得到粗提纯浆料。粗提纯浆料可理解为,作为MXene粒子,可包含单层MXene、和由于层分离(分层)不足而未单层化的多层MXene,此外,还包含MXene粒子以外的杂质(来自未反应的MAX粒子和被蚀刻的A原子的副产物的结晶物(例如AlF3的结晶物)等)。
用玻璃吸管取10mL上述得到的粗提纯浆料,与实施例1同样制作的0.1M硝酸铁(III)水溶液30mL混合,其后吸滤2晩,此后用纯水清洗之后得到过滤膜。过滤膜使用孔径0.45μm的薄膜过滤器(Merck株式会社制,Durapore)。接着在室温放置24小时,24小时后,再在室温下放置一天,其后在80℃真空烘箱中干燥一晩,得到在未分层的MXene膜上担载有Fe(III)离子的过滤膜。以此方法得到的膜,干燥后变形,发生裂纹(图4(b))。
〔担载磁性金属离子MXene膜的评价〕
(电导率的测量)
使用实施例、比较例的试样,测量电导率,并且如下而评价。
电导率的测量,对于每1个试样,在包括膜中央附近的3处进行。另外在电导率的测量中,使用低电阻率计(株式会社三菱化学分析制LorestaAX MCP-T370)。试样(干燥膜)的厚度使用测微计(株式会社三丰制MDH-25MB)测量。
(磁化率的测量)
使用实施例、比较例的试样,测量磁化率。
在磁化率的测量中,使用振动样品磁强计(VSM,东英株式会社制VSM-5型)。使实施例1的试样成为粉末状,放入胶囊状的试样保持器中,进行磁化率测量。实施例2、3、比较例1、2的试样,以膜的状态进行磁化率测量。测量磁化率时的磁力扫描方向,在实施例1的试样中,是胶囊的长轴方向,在实施例2、3、比较例2的试样中,为膜的平面方向。对于比较例1的试样,在膜的平面方向和垂直方向均进行磁力扫描而测量磁化率。最大饱和磁化强度,在实施例1中为0.129emu/cm3,实施例2中为0.04188emu/cm3,实施例3中为0.0545emu/cm3,比较例1中未检测到磁化,比较例2中为0.0267emucm3。
目前,是否是磁性体,能够基于VSM测量的磁滞判断。例如,最大饱和磁化强度,如果是比VSM的测量极限0.01emu/cm3大一个数量级以上的值,则能够确认磁性,可以说是磁性体。
在实施例1中,最大饱和磁化强度为0.129emu/cm3,确认到显示磁性(图5)。是不是因为分层而致使MXene成为单层·少层MXene,所以Fe离子容易浸透到MXene的层与层之间,Fe离子容易沿MXene的层配置,另外,与MXene粒子的接触面积变大,其结果可推测显现出磁性。
在实施例2中,最大饱和磁化强度为0.04188emu/cm3,确认到显示磁性。是不是因为通过分层而使MXene成为单层·少层MXene,所以与Fe离子的情况同样,Co离子也容易浸透到MXene的层与层之间,离子容易沿MXene的层配置,另外,与MXene粒子的接触面积变大,其结果可推测显现出磁性。
在实施例3中,最大饱和磁化强度为0.0545emu/cm3,能够确认到磁性。另外,电导率为2092S/cm,确认到显示导电性。另外,在使用MXene的材料中,由于导电性与MXene的层的取向性通常相关,所以,由于显示导电性,也喻示着MXene的层的取向性良好。
另一方面,比较例1是不含磁性金属离子的例子,无论在膜的平面方向、垂直方向进行磁力扫描时,均未确认到磁性。
另外,在比较例2中,最大饱和磁化强度为0.0267emu/cm3,与实施例1~3同样,尽管同程度含有作为磁性金属离子的Fe离子,但可确认磁性变弱。另外,电导率低至362S/cm,也喻示着MXene的层的取向性不良。此外,是不是因为使用未分层的MXene,所以成膜性也不好。
通常,来源于纳米结构的磁性不那么强,可能无法取得能够由VSM确认程度的最大饱和磁化强度。因此,通过磁性金属离子的导入而得到磁特性这一点,可以说是令人瞩目的特性。此外,本发明的磁性材料,即使是在形成MXene的膜之后,也能够导入磁性金属离子,并且即使使用导入有磁性金属离子的MXene,也可以形成膜,MXene自身的导电性和MXene的层的取向性、成膜性也未丧失。由以上可认为,本发明的磁性材料,作为纳米级的EMI屏蔽和磁性存储介质有用。
产业上的可利用性
本发明的磁性材料,可利用于任意适合的用途,例如可用作电气器件中的电极和电磁屏蔽,作为电极,例如可用作大容量的电容器、电池、低电阻的生物电极、高灵敏度传感器、天线,作为电磁屏蔽,例如特别优选用作高遮蔽性EMI屏蔽。
符号说明
1a、1b层主体(MmXn层)
3a、5a、3b、5b修饰或末端T
7a、7b、7d MXene层
10a、10b、10c MXene粒子
10d过渡元素含有MXene粒子
41 Fe离子
50 钛原子
51 氧原子
Claims (11)
1.一种磁性材料,其包含:含有1个或多个层的层状材料的粒子、和磁性金属离子,
所述层包括:
由下式:MmXn表示的层主体,
式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,
X是碳原子、氮原子或碳原子和氮原子的组合,
n为1以上且4以下,
m大于n并在5以下;
存在于该层主体的表面的修饰或末端T,
T是从羟基、氟原子、氯原子、氧原子和氢原子所构成的群中选择的至少一种,
所述粒子的厚度的平均值为1nm以上且10nm以下,
所述粒子的层与所述磁性金属离子相接触。
2.根据权利要求1所述的磁性材料,其中,所述磁性金属离子存在于相互邻接的所述层与层之间。
3.根据权利要求1或2所述的磁性材料,其中,最大饱和磁化强度为0.01emu/cm3以上。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的磁性材料,其中,所述磁性金属离子为Fe离子和/或Co离子。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的磁性材料,其中,所述MmXn由Ti3C2表示。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的磁性材料,其中,电导率为500S/cm以上。
7.一种磁性膜或磁性结构体,其包含权利要求6所述的磁性材料。
8.一种磁性物品,其包含权利要求7所述的磁性膜或磁性结构体。
9.一种磁性膜或磁性结构体的制造方法,其中,包括如下工序:
(p)使含有1个或多个层的层状材料的粒子与磁性金属离子接触的工序;和
(q)由至少含有所述层状材料的粒子的浆料形成膜或结构体的工序,
所述层包括:
由下式:MmXn表示的层主体,
式中,M是至少一种的第3、4、5、6、7族金属,
X是碳原子、氮原子或碳原子和氮原子的组合,
n为1以上且4以下,
m大于n并在5以下;
存在于该层主体的表面的修饰或末端T,
T是从羟基、氟原子、氯原子、氧原子和氢原子所构成的群中选择的至少一种,
所述粒子的厚度的平均值为1nm以上且10nm以下。
10.根据权利要求9所述的磁性膜或磁性结构体的制造方法,其中,在所述工序(q)中,使用含有与所述磁性金属离子接触之后的层状材料的粒子的浆料。
11.根据权利要求9所述的磁性膜或磁性结构体的制造方法,其中,在所述工序(p)中,使存在于所述膜或结构体中的层状材料的粒子与磁性金属离子接触。
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