JP2018527275A - スルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、フッ酸を使用して層状炭化チタンアルミニウムにおけるアルミニウム原子層を化学的に剥離して二次元炭化チタンを調製する工程と、p−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩を調製する工程と、二次元炭化チタンとp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩とをスルホン化反応させてスルホン化二次元炭化チタンナノシートを調製する工程とを含むスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法を開示する。本発明によって調製されるスルホン化二次元炭化チタンナノ材料は、水及び通常の有機溶媒における分散性が良く、その分散液に超音波をかけると、サイズが大きくて品位が高い単層又は層が少ない二次元スルホン化炭化チタンナノシートが得られる。本調製方法は、生産コストが低く、原材料が入手しやすく、調製の過程が簡単でコントロールできるという利点がある。
【選択図】図2

Description

本発明は、ナノ材料を調製する技術分野に属し、二次元材料を機能化させる方法に関し、具体的には、スルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法に関する。
MXeneは、新規な二次元遷移金属炭化物又は窒炭化物であり、その化学式はMn+1であり、最初のMは遷移金属を示し、Xは炭素又は窒素を示し、n=1、2、3である。このような二次元材料は、ある種類の三次元層状化合物のMAX相からA原子層を剥離して得られるもので、グラフェン(Granphene)に類似する二次元構成を有するため、MXeneと名付けられた。2011年にアメリカのドレクセル大学のBarsoumらが始めにフッ酸を利用して、典型的な三次元層状炭化物TiAlCからAl原子層を化学的に剥離して新規な二次元シート状炭化チタンを得た(非特許文献1)以来、MXeneは例えば、接触や水処理、エネルギー貯蔵装置、スーパーキャパシタ、リチウムイオン電池、及び複合材料などの多い技術分野に広く適用されていた(非特許文献2、非特許文献3)。化学的な方法によって合成された二次元MXeneは、ナノ粒子の表面エネルギーが高いため、熱動力学では集中する傾向があり、溶液に塊になるように集積して沈殿しやすいことは、このような新規な二次元材料の優れた性能を十分的に発揮させることに大きな影響を与える。MXeneナノシートの表面を機能化させることは、その自分の二次元属性に影響を与えることなく、材料の分散性と溶解性を向上させることができる。スルホン酸基が高い親水性を有するため、MXeneにスルホン化処理を行うことは、その分散性を上げることができるだけでなく、その特有な性質を維持することもできる。それとともに、二次元MXene層シートの間にファンデルワールス力が大きいため、高強度で長期間の超音波処理を行っても、単層又は層が少ない二次元ナノシートを得ることが困難であり、二次元ナノシートの表面にスルホン酸官能基を有する反応活性が高い分子を結合すること又は層間に当該分子を挿入することによって、弱い超音波をかけると単層又は層が少ない二次元MXeneナノシートが得られる。現時点では、二次元スルホン化炭化チタンナノシートについての調製はまだ報告されていない。
Michael Naguib et al., Two―dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2, Advanced Materials, 2011, 23(37):4248―4253 S. Garaj, et al., Graphene as a subnanometre trans―electrode membrane, Nature, 2010, 467(7312):190―192 Maria R. Lukatskaya et al., Cation intercalation and high volumetric capacitance of two―dimensional titanium carbide, Science, 2013, 341(6153):1502―1505
本発明は、二次元MXeneが塊になるように集積して沈殿しやすく、単層又は層が少ないナノシートが得られ難いという技術欠点に対して、分散性が高く、サイズが大きくて品位が高いスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法を提供することを目的とする。
上記した技術目的を実現するために、本発明は、
(1)フッ酸を利用して層状炭化チタンアルミニウムにおけるアルミニウム原子層を化学的に剥離し、調製して二次元炭化チタン沈殿を得る工程と、
(2)工程(1)で得られた二次元炭化チタン沈殿を新たに水に分散させ、二次元炭化チタン懸濁液を得る工程と、
(3)p−アミノベンゼンスルホン酸と亜硝酸ナトリウムを塩酸溶液に溶解し、氷浴で反応させてp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液を得る工程と、
(4)工程(3)で得られたp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液を工程(2)で得られた二次元炭化チタン懸濁液に加え、氷浴で磁気的に撹拌して一定時間反応させ、二次元炭化チタンとp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩とをスルホン化反応させてスルホン化二次元炭化チタン溶液を得る工程と、
(5)工程(4)で得られたスルホン化二次元炭化チタン溶液を遠心して沈殿を分離した後、溶液pH5〜6まで脱イオン水で水洗した後、ミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させてスルホン化二次元炭化チタン分散液を得て、超音波をかけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得て、凍結乾燥させて二次元スルホン化炭化チタン粉末を得る工程と、
を含むスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法を提供する。
好ましくは工程(1)において、前記炭化チタンアルミニウムとフッ酸との反応条件は、フッ酸の濃度が10〜50wt%であり、25〜60℃で1500〜2000回転/分間の撹拌速度で撹拌して2〜8時間反応させた後、反応液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、遠心して二次元炭化チタン沈殿を得る。
工程(2)において、前記二次元炭化チタン粉末の水における濃度は0.01〜0.05g/mlである。
好ましくは工程(3)において、p−アミノベンゼンスルホン酸、亜硝酸ナトリウムと塩酸溶液の質量比は40〜50:8〜12:10〜15であり、その中で、前記塩酸溶液は、37wt%濃塩酸であることが好ましい。
工程(4)において、二次元炭化チタン懸濁液とp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液の体積比は1:1〜5である。
工程(4)において、前記二次元炭化チタンとp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩とをスルホン化反応させる時間は2〜6時間である。
工程(5)において、二次元スルホン化炭化チタン分散液に超音波をかける時間は1〜4時間である。
上記した調製方法によって得られるスルホン化二次元炭化チタンナノシートは、本発明によって限定された範囲にある。
本発明は、二次元MXeneが塊になるように集積して沈殿しやすく、単層又は層が少ないナノシートが得られ難いという技術欠点に対して、スルホン化二次元MXeneナノシートを調製する方法を提供し、典型的な三次元層状遷移金属炭化物又は窒炭化物TiAlCを原料として、フッ酸を利用してTiAlCにおけるAl原子層を化学的に剥離して二次元Tiナノシートを得て、p−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液とTiナノシートとをスルホン化反応させることによって、分散性が高く、サイズが大きくて品位が高い単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタンナノシートを調製する。本調製方法は生産コストが低く、原材料が入手しやく、調製の過程が簡単でコントロールできるという利点がある。
本発明の実施例1で得られたスルホン化二次元炭化チタンの走査電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例1で得られたスルホン化二次元炭化チタンの透過電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例1で得られたスルホン化二次元炭化チタンのスルホン化前後の赤外スペクトル図である。
以下、本発明をより良く理解するために、実施例に基づいて本発明の内容をさらに解明するが、本発明の内容は、以下の実施例のみに限定されるものではない。以下の各実施例においては、p−アミノベンゼンスルホン酸と亜硝酸ナトリウムを塩酸溶液に溶解して氷浴で反応させる常法によって、p−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液を調製し、ただし、p−アミノベンゼンスルホン酸、亜硝酸ナトリウムと塩酸溶液(37wt%濃塩酸)の質量比は40〜50:8〜12:10〜15である。
(実施例1)スルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製
(1)0.1gのTiAlC粉末を25℃で50wt%のHF水溶液20mLに浸し、1500r/minの回転数で磁気的に撹拌して8時間反応させ、懸濁液を得た。得られた懸濁液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、6000回転/分間で10分間遠心して二次元炭化チタンの沈殿を得た。
(2)上記した沈殿生成物を新たに水10mlに分散させて超音波を30分間かけ、氷浴でp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液10mlを滴下し、磁気的に撹拌して2時間反応させるスルホン化過程によって、スルホン化二次元炭化チタン溶液を得た。
(3)上記したスルホン化二次元炭化チタン溶液を4000回転/分間で10分間遠心して沈殿を分離し、pH=5〜6まで繰り返して水洗した後、孔径0.22μmのミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させた後、超音波を2時間かけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得た。観察すると、静置しても沈殿が出ないことが確認され、この分散液は良い分散性を有することが検証された。得られた製品を24時間凍結乾燥させると、単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタンナノシート粉末を得た。図1は実施例1で得られたスルホン化二次元炭化チタンの走査電子顕微鏡写真であり、この写真によると、スルホン化された生成物はそのままシート状という特徴を維持したことが認められた。図2は得られたスルホン化二次元炭化チタンの透過電子顕微鏡写真であり、この写真によると、スルホン化された生成物は超音波をかけると単層又は層が少ないナノシートになったことが認められた。図3は得られたスルホン化二次元炭化チタンのスルホン化前後の赤外スペクトル図であり、図において、数字で示された特徴的なピークは、二次元炭化チタンの表面にスルホン酸基が成功的にグラフトされたことを明らかにした。
(実施例2)スルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製
(1)0.3gのTiAlC粉末を40℃で40wt%のHF水溶液40mLに浸し、1500r/minの回転数で磁気的に撹拌して4時間反応させ、懸濁液を得た。得られた懸濁液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、6000回転/分間で10分間遠心して二次元炭化チタンの沈殿を得た。
(2)上記した沈殿生成物を新たに水30mlに分散させて超音波を30分間かけ、氷浴でp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液20mlを滴下し、磁気的に撹拌して6時間反応させるスルホン化過程によって、スルホン化二次元炭化チタン溶液を得た。
(3)上記したスルホン化二次元炭化チタン溶液を4000回転/分間で10分間遠心して沈殿を分離し、pH=5〜6まで繰り返して水洗した後、孔径0.22μmのミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させた後、超音波を4時間かけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得た。又は、24時間凍結乾燥させて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタンナノシート粉末を得た。
(実施例3)スルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製
(1)0.2gのTiAlC粉末を50℃で40wt%のHF水溶液30mLに浸し、1500r/minの回転数で磁気的に撹拌して2時間反応させ、懸濁液を得た。得られた懸濁液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、6000回転/分間で10分間遠心して二次元炭化チタンの沈殿を得た。
(2)上記した沈殿生成物を新たに水20mlに分散させて超音波を30分間かけ、氷浴でp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液30mlを滴下し、磁気的に撹拌して3時間反応させるスルホン化過程によって、スルホン化二次元炭化チタン溶液を得た。
(3)上記したスルホン化二次元炭化チタン溶液を4000回転/分間で10分間遠心して沈殿を分離し、pH=5〜6まで繰り返して水洗した後、孔径0.22μmのミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させた後、超音波を1時間かけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得た。又は、24時間凍結乾燥させて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタンナノシート粉末を得た。
(実施例4)スルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製
(1)0.1gのTiAlC粉末を60℃で10wt%のHF水溶液20mLに浸し、40℃で1500r/minの回転数で磁気的に撹拌して2時間反応させ、懸濁液を得た。得られた懸濁液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、6000回転/分間で10分間遠心して二次元炭化チタンの沈殿を得た。
(2)上記した沈殿生成物を新たに水10mlに分散させて超音波を30分間かけ、氷浴でp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液20mlを滴下し、磁気的に撹拌して4時間反応させるスルホン化過程によって、スルホン化二次元炭化チタン溶液を得た。
(3)上記したスルホン化二次元炭化チタン溶液を4000回転/分間で10分間遠心して沈殿を分離し、pH=5〜6まで繰り返して水洗した後、孔径0.22μmのミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させた後、超音波を2時間かけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得た。又は、24時間凍結乾燥させて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタンナノシート粉末を得た。
(実施例5)スルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製
(1)0.1gのTiAlC粉末を25℃で20wt%のHF水溶液40mLに浸し、1500r/minの回転数で磁気的に撹拌して8時間反応させ、懸濁液を得た。得られた懸濁液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、6000回転/分間で10分間遠心して二次元炭化チタンの沈殿を得た。
(2)上記した沈殿生成物を新たに水10mlに分散させて超音波を30分間かけ、氷浴でp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液20mlを滴下し、磁気的に撹拌して4時間反応させるスルホン化過程によって、スルホン化二次元炭化チタン溶液を得た。
(3)上記したスルホン化二次元炭化チタン溶液を4000回転/分間で10分間遠心して沈殿を分離し、pH=5〜6まで繰り返して水洗した後、孔径0.22μmのミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させた後、超音波を3時間かけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得た。又は、24時間凍結乾燥させて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタンナノシート粉末を得た。
(付記)
(付記1)
(1)フッ酸を使用して層状炭化チタンアルミニウムにおけるアルミニウム原子層を化学的に剥離し、調製して二次元炭化チタン沈殿を得る工程と、
(2)工程(1)で得られた二次元炭化チタン沈殿を新たに水に分散させ、二次元炭化チタン懸濁液を得る工程と、
(3)p−アミノベンゼンスルホン酸と亜硝酸ナトリウムを塩酸溶液に溶解し、氷浴で反応させてp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液を得る工程と、
(4)工程(3)で得られたp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液を工程(2)で得られた二次元炭化チタン懸濁液に加え、氷浴で磁気的に撹拌して一定時間反応させ、二次元炭化チタンとp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩とをスルホン化反応させてスルホン化二次元炭化チタン溶液を得る工程と、
(5)工程(4)で得られたスルホン化二次元炭化チタン溶液を遠心して沈殿を分離した後、溶液のpH5〜6まで脱イオン水で水洗した後、ミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させてスルホン化二次元炭化チタン分散液を得て、超音波をかけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得て、凍結乾燥させて二次元スルホン化炭化チタン粉末を得る工程と、
を含むことを特徴とするスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記2)
工程(1)において、前記炭化チタンアルミニウムとフッ酸との反応条件は、フッ酸の濃度が10〜50wt%であり、25〜60℃で1500〜2000回転/分間の撹拌速度で撹拌して2〜8時間反応させた後、反応液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、遠心して二次元炭化チタン沈殿を得ることを特徴とする付記1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記3)
工程(2)において、前記二次元炭化チタン沈殿を新たに水に分散させた後の濃度は0.01〜0.05g/mlであることを特徴とする付記1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記4)
工程(3)において、p−アミノベンゼンスルホン酸、亜硝酸ナトリウムと塩酸溶液の質量比は40〜50:8〜12:10〜15であることを特徴とする付記1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記5)
工程(4)において、二次元炭化チタン懸濁液とp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液の体積比は1:1〜5であることを特徴とする付記1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記6)
工程(4)において、前記二次元炭化チタンとp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩とをスルホン化反応させる時間は2〜6時間であることを特徴とする付記1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記7)
工程(5)において、スルホン化二次元炭化チタン溶液の遠心条件は、4000〜6000回転/分間で5〜8min遠心することを特徴とする付記1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記8)
工程(5)において、二次元スルホン化炭化チタン分散液に超音波をかける時間は1〜4時間であることを特徴とする付記1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
(付記9)
付記1〜8のいずれか一つに記載の調製方法によって得られるスルホン化二次元炭化チタンナノシート。

Claims (9)

  1. (1)フッ酸を使用して層状炭化チタンアルミニウムにおけるアルミニウム原子層を化学的に剥離し、調製して二次元炭化チタン沈殿を得る工程と、
    (2)工程(1)で得られた二次元炭化チタン沈殿を新たに水に分散させ、二次元炭化チタン懸濁液を得る工程と、
    (3)p−アミノベンゼンスルホン酸と亜硝酸ナトリウムを塩酸溶液に溶解し、氷浴で反応させてp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液を得る工程と、
    (4)工程(3)で得られたp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液を工程(2)で得られた二次元炭化チタン懸濁液に加え、氷浴で磁気的に撹拌して一定時間反応させ、二次元炭化チタンとp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩とをスルホン化反応させてスルホン化二次元炭化チタン溶液を得る工程と、
    (5)工程(4)で得られたスルホン化二次元炭化チタン溶液を遠心して沈殿を分離した後、溶液のpH5〜6まで脱イオン水で水洗した後、ミリポアフィルターでろ過して新たに水に分散させてスルホン化二次元炭化チタン分散液を得て、超音波をかけて単層又は層が少ないスルホン化二次元炭化チタン分散液を得て、凍結乾燥させて二次元スルホン化炭化チタン粉末を得る工程と、
    を含むことを特徴とするスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  2. 工程(1)において、前記炭化チタンアルミニウムとフッ酸との反応条件は、フッ酸の濃度が10〜50wt%であり、25〜60℃で1500〜2000回転/分間の撹拌速度で撹拌して2〜8時間反応させた後、反応液をろ過してpHが中性になるまで繰り返して水洗した後、遠心して二次元炭化チタン沈殿を得ることを特徴とする請求項1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  3. 工程(2)において、前記二次元炭化チタン沈殿を新たに水に分散させた後の濃度は0.01〜0.05g/mlであることを特徴とする請求項1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  4. 工程(3)において、p−アミノベンゼンスルホン酸、亜硝酸ナトリウムと塩酸溶液の質量比は40〜50:8〜12:10〜15であることを特徴とする請求項1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  5. 工程(4)において、二次元炭化チタン懸濁液とp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩溶液の体積比は1:1〜5であることを特徴とする請求項1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  6. 工程(4)において、前記二次元炭化チタンとp−アミノベンゼンスルホン酸ジアゾニウム塩とをスルホン化反応させる時間は2〜6時間であることを特徴とする請求項1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  7. 工程(5)において、スルホン化二次元炭化チタン溶液の遠心条件は、4000〜6000回転/分間で5〜8min遠心することを特徴とする請求項1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  8. 工程(5)において、二次元スルホン化炭化チタン分散液に超音波をかける時間は1〜4時間であることを特徴とする請求項1に記載のスルホン化二次元炭化チタンナノシートの調製方法。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の調製方法によって得られるスルホン化二次元炭化チタンナノシート。
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