一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料及其低温制备法制造技术

本发明专利技术涉及一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料及其低温制备法，首先将二维层状纳米材料MXene‑Ti3C2加入到草酸溶液中，分散均匀得到Ti3C2混合液；向Ti3C2混合液中加入苯胺，分散均匀得到混合溶液；向混合溶液中逐滴加入催化剂，搅拌聚合直至混合溶液由透明溶液逐渐变成均一的黑色溶液，洗涤并干燥，得到聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。本发明专利技术方法在0～5℃的低温下制备PANI/Ti3C2复合材料，减少了Ti3C2的氧化，保持了Ti3C2二维层状结构材料的优点，并且在有机酸溶液中反应，改性Ti3C2表面的官能团使得PANI与Ti3C2结合的更加紧密，提高材料的电化学性能。

Polyaniline nano particle / two-dimensional layered titanium carbide composite material and low-temperature preparation method thereof

The invention relates to a polyaniline nano particle / 2D layered titanium carbide composite material and its low temperature preparation method, the two-dimensional layered nano materials MXene Ti3C2 added to the oxalic acid solution, uniformly dispersed Ti3C2 mixed liquid; adding aniline to Ti3C2 mixture and dispersed uniformly mixed solution; the mixed solution was added dropwise to the catalyst, stirring until the mixture solution polymerization by transparent solution gradually turned into a black uniform solution, washing and drying, PANI nanoparticles / 2D layered titanium carbide composite material. The method of the invention in 0 ~ 5 DEG C under low temperature preparation of PANI/Ti3C2 composite materials, reduce the oxidation of Ti3C2, maintains the advantages of the Ti3C2 2D layered structure material, and reaction in organic acid solution, modified functional groups on the surface of Ti3C2 makes PANI and Ti3C2 more closely, provided high electrochemical performance materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米功能材料领域，具体涉及一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料及其低温制备法。
技术介绍
三元层状陶瓷材料Ti3AlC2属于层状六方晶体结构。在Ti3AlC2晶体结构中，Ti和C原子形成Ti6C八面体，被Al层所隔开，C原子位于八面体的中心，C与Ti原子结合为强共价键，而Ti-Ti，以及Ti与Al之间为弱结合，类似于石墨间的范德华力弱键结合。Ti3AlC2兼具金属与陶瓷的性能，在常温下，其具有导热性能和导电性能，以及较低的维氏显微硬度和较高的弹性模量，像金属一样可以进行机械加工，并且在较高的温度下具有塑性，同时又具备较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性等陶瓷的性能。MXene是一种新型过渡金属碳化物二维晶体纳米材料，具有和石墨烯类似的结构，具有优异的力学、电子、磁学等性能。研究发现，Ti3C2是一种很有前途的新型锂离子电池负极材料，还可用于新型复合材料增强体和高温润滑材料，因此其在储能、电子、润滑等领域具有重要的应用前景。此外，Ti3C2纳米材料具有独特的类石墨烯层状结构，以及比表面积大，结构稳定的特性，可作为电极的增敏材料，用于构制性能良好的电化学修饰电极，分析检测生物小分子，为电化学传感领域的发展将开辟新途径。聚苯胺自从1984年，被美国宾夕法尼亚大学的化学家MacDiarmid等重新开发以来，以其良好的热稳定性，化学稳定性和电化学可逆性，优良的电磁微波吸收性能，潜在的溶液和熔融加工性能，原料易得，合成方法简便，还有独特的掺杂现象等特性，成为现在研究进展最快的导电高分子材料之一。聚苯胺作为应用于电化学方面最受关注的导电聚合物，具有高电化学活性，高掺杂水平，优良的比电容，良好的稳定性以及易于加工处理等特点。传统高温(150℃以上)水热改性Ti3C2的方法容易使Ti3C2氧化，破坏Ti3C2的二维层状结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料及其低温制备法，能够在低温下合成聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：包括以下步骤：步骤一：将二维层状纳米材料MXene-Ti3C2加入到草酸溶液中，分散均匀得到Ti3C2混合液；步骤二：向Ti3C2混合液中加入苯胺，分散均匀得到混合溶液A；其中，苯胺和步骤一中二维层状纳米材料MXene-Ti3C2的比为(0.05～0.2)mL：(80～600)mg；步骤三：在0～5℃，向混合溶液A中逐滴加入催化剂，搅拌聚合直至混合溶液A由透明溶液逐渐变成均一的黑色溶液，得到混合溶液B；步骤四：将混合溶液B洗涤并干燥，得到聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。进一步地，步骤一中二维层状纳米材料MXene-Ti3C2是通过以下步骤制备得到的：首先取Ti3AlC2陶瓷粉体浸没在质量浓度为35wt％～45wt％HF酸溶液中搅拌反应6h～120h，对Ti3AlC2粉体进行腐蚀处理，其中Ti3AlC2陶瓷粉体与HF酸溶液的比为(2～10)g：(50～200)mL；腐蚀处理结束后用去离子水离心清洗至pH为5～7，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米材料MXene-Ti3C2。进一步地，Ti3AlC2陶瓷粉体经过球磨细化处理再浸没在HF酸溶液中，球磨细化处理具体包括：首先利用高能球磨细化纯度大于97％的三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体，球磨条件：球石，混料及球磨介质的质量比为10:1:1，球磨转速为400r/min，高能球磨时间为1h～4h，然后将所得固液混料在40℃～60℃下烘干，得到粒径在8μm-75μm的Ti3AlC2陶瓷粉体。进一步地，步骤一中在室温下将二维层状纳米材料MXene-Ti3C2加入到草酸溶液中，二维层状纳米材料MXene-Ti3C2和草酸溶液的比为(80～600)mg：(80～120)mL。进一步地，步骤一中草酸溶液是室温下将草酸溶解在超纯水中得到的，草酸与超纯水的比为(0.1～0.5)g：(80～120)mL。进一步地，步骤一中分散均匀是经过超声处理1～2h。进一步地，步骤二中分散均匀是经过超声处理0.5～1.5h。进一步地，步骤三中加入的催化剂为过硫酸铵溶液，过硫酸铵溶液是将每0.1～0.4g的过硫酸铵溶解在10～30mL超纯水中得到的；过硫酸铵和步骤一中MXene-Ti3C2的比为(0.1～0.4)g：(80～600)mg。进一步地，步骤三中搅拌聚合5～16h。一种利用如上所述聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的低温制备法制得的聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术采用低温搅拌法，通过作为有机酸的草酸，可以和Ti3C2表面的官能团反应，得到负载均匀的Ti3C2/聚苯胺复合材料，方法简单有效，改善了Ti3C2在高温下容易被氧化的问题，能够增大比表面积。本专利技术在低温下制备聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料，操作简单，实验过程安全。本专利技术方法在0～5℃的低温下制备PANI/Ti3C2复合材料，减少了Ti3C2的氧化，保持了Ti3C2二维层状结构材料的优点，操作简单安全，并且在有机酸溶液中反应，有机高分子可以改性Ti3C2表面的官能团使得PANI与Ti3C2可以结合的更加紧密，从而提高材料的电化学性能。本专利技术制得的Ti3C2/聚苯胺复合材料的性能更优于单一的MXene-Ti3C2，电解液为1mol/LKCl溶液、扫描速率为2mV/s时，测试CV,Ti3C2比电容为90F/g，而本专利技术制备的聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料得比电容为971.93F/g。其应用将更加广泛，有利于锂离子电池、超级电容器等领域的应用。【附图说明】图1为Ti3AlC2粉体腐蚀处理后的SEM图。图2为Ti3AlC2粉体的腐蚀产物MXene-Ti3C2负载聚苯胺纳米颗粒后的样品SEM图。【具体实施方式】下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术提供了一种在草酸溶液中低温制备Ti3C2/聚苯胺复合材料的方法。将Ti3AlC2在HF酸中进行化学刻蚀，使Al被选择性刻蚀掉，形成一种二维层状材料MXene-Ti3C2，然后在草酸溶液中，低温搅拌处理，在二维层状材料MXene-Ti3C2上直接负载聚苯胺纳米颗粒，使层状材料的比表面积增大，并且使材料锂离子电池、超级电容器等众多领域具有更大的实际应用价值和理论价值。因此，Ti3C2/聚苯胺复合材料的性能更优于单一的MXene-Ti3C2，其应用将更加广泛。本专利技术包括下述步骤：步骤一，细化粉体利用高能球磨细化纯度大于97％的三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体，球磨条件：球石，混料及球磨介质(无水乙醇)的质量比为10:1:1，球磨转速为400r/min，高能球磨时间为1h～4h，然后将所得固液混料在40℃～60℃下烘干，得到粒径在8μm-75μm的Ti3AlC2陶瓷粉体；步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti3C2的制备将步骤一中所得Ti3AlC2陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中2g～10gTi3AlC2粉体浸没在50mL～200mL质量浓度35wt％～45wt％HF酸溶液中反应6h～120h本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的低温制备法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：将二维层状纳米材料MXene‑Ti3C2加入到草酸溶液中，分散均匀得到Ti3C2混合液；步骤二：向Ti3C2混合液中加入苯胺，分散均匀得到混合溶液A；其中，苯胺和步骤一中二维层状纳米材料MXene‑Ti3C2的比为(0.05～0.2)mL：(80～600)mg；步骤三：在0～5℃，向混合溶液A中逐滴加入催化剂，搅拌聚合直至混合溶液A由透明溶液逐渐变成均一的黑色溶液，得到混合溶液B；步骤四：将混合溶液B洗涤并干燥，得到聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的低温制备法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：将二维层状纳米材料MXene-Ti3C2加入到草酸溶液中，分散均匀得到Ti3C2混合液；步骤二：向Ti3C2混合液中加入苯胺，分散均匀得到混合溶液A；其中，苯胺和步骤一中二维层状纳米材料MXene-Ti3C2的比为(0.05～0.2)mL：(80～600)mg；步骤三：在0～5℃，向混合溶液A中逐滴加入催化剂，搅拌聚合直至混合溶液A由透明溶液逐渐变成均一的黑色溶液，得到混合溶液B；步骤四：将混合溶液B洗涤并干燥，得到聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。2.根据权利要求1所述的一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的低温制备法，其特征在于：步骤一中二维层状纳米材料MXene-Ti3C2是通过以下步骤制备得到的：首先取Ti3AlC2陶瓷粉体浸没在质量浓度为35wt％～45wt％HF酸溶液中搅拌反应6h～120h，对Ti3AlC2粉体进行腐蚀处理，其中Ti3AlC2陶瓷粉体与HF酸溶液的比为(2～10)g：(50～200)mL；腐蚀处理结束后用去离子水离心清洗至pH为5～7，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米材料MXene-Ti3C2。3.根据权利要求2所述的一种聚苯胺纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的低温制备法，其特征在于：Ti3AlC2陶瓷粉体经过球磨细化处理再浸没在HF酸溶液中，球磨细化处理具体包括：首先利用高能球磨细化纯度大于97％的三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体，球磨条件：球石，混料及球磨介质的质量比为10:1:1，球磨转速为400r/min，高能球磨时间为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建锋，任莹莹，王雷，汤祎，黄家璇，周文静，牛冬娟，李学林，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61