一种二维层状Nb4C3Tx材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种安全可靠、简易可行的二维层状纳米化合物Nb4C3Tx材料及其制备方法，包括制备Nb4AlC3粉末；将Nb4AlC3粉末放入氢氟酸中腐蚀、离心处理；加入TBAOH搅拌、清洗、离心并超声，得到主要含TBA

A Two-Dimensional Layered Nb4C3Tx Material and Its Preparation Method

The invention provides a safe, reliable, simple and feasible two-dimensional layered nano-compound Nb4C3Tx and its preparation method, including preparation of Nb4AlC3 powder; corrosion and centrifugation of Nb4AlC3 powder in hydrofluoric acid; stirring, cleaning, centrifugation and ultrasound with TBAOH to obtain the main TBA content.

【技术实现步骤摘要】
一种二维层状Nb4C3Tx材料及其制备方法
本专利技术属于新材料制备
，特别涉及一种二维纳米层状化合物Nb4C3Tx及其制备方法和用途。
技术介绍
随着经济的发展和社会的进步，新能源的开发利用对解决严峻的环境问题有重要作用，超级电容器和锂离子电池作为二次储能装置具有功率密度大、循环寿命长、环境污染轻等优点；近年来，随着石墨烯的发现与其独特的物理、化学性能，掀起了二维晶体的研究热潮；二维层状纳米化合物是一种类石墨烯结构的材料，由于比表面积高的特性使其具有多种优异的性能，除石墨烯外，还有过渡族金属二硫化物、金属氧化物等；近年，Barsoum等利用氢氟酸选择性刻蚀掉三维层状化合物MAX中的Al原子得到具有类石墨烯结构的二维晶体化合物并命名为MXene；其化学式为Mn+1Xn，n=1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳/氮元素；MXene的前驱体为MAX是一种兼具金属与陶瓷的优越性能的三元层状结构，M、X、n与上述一样，A为主族元素，目前已知MAX相有60多种，通过刻蚀可以制备大量具有特殊性能的MXene，这对于二维晶体材料的制备与研究有重要意义；一方面，MXene具有良好的电化学存储电荷的性能，因为被认为是超级电容器和锂离子电池的电极材料之一；另一方面，该材料在化学吸附、水污染处理等方面具有很大的潜在应用价值；因其具有结构稳定、循环性能好，电子导电性优异等诸多优点，因而可以看作一种理想的超级电容器和锂离子电池正极材料。目前，主要的MXene制备方法是通过氢氟酸刻蚀MAX相，Ti3C2是目前研究最为广泛和成熟的MXene相，而其他材料的插层和分层机制，包括如何制备高性能单层MXene片和纳米管，以及扩充MXene成员仍需投入大量的时间和精力。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的旨在解决上述现阶段的技术难题，提供一种安全可靠、简易可行的二维层状纳米化合物Nb4C3Tx材料及其制备方法。技术方案：一种二维层状Nb4C3Tx材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将Nb、Al、C粉末按照摩尔比4:1.1:2.7混匀后，在1700℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Nb4AlC3陶瓷块体材料，将制备的Nb4AlC3陶瓷材料进行研磨处理，得到Nb4AlC3陶瓷粉体；步骤二、将Nb4AlC3陶瓷粉体放入一定浓度的氢氟酸中，腐蚀一定时间，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，倒去去上清液，得到沉淀物，清洗到PH大于等于5，目的是去除氢氟酸；步骤三、将沉淀物中加入质量分数为5wt.%~40wt.%的TBAOH（四丁基氢氧化铵）搅拌；步骤四、加入去离子水清洗，离心去除TBAOH，多次清洗得到沉淀物，在沉淀物中加入去离子水，氩气保护状态下超声处理后，制得悬浊液；步骤五、取单层或多层Nb4C3Tx涂抹在泡沫镍或泡沫铜上，或取悬浊液的上清液，加入去离子水并抽滤，烘干后得到片层状的Nb4C3Tx薄膜即为可用于超级电容器负极的Nb4C3Tx材料，取悬浊液底层沉淀物烘干后，得到堆垛的层片状Nb4C3Tx粉体。进一步的，步骤二中将Nb4AlC3陶瓷粉体放入浓度为20wt.%~50wt.%的氢氟酸中，在20~75℃的温度下，腐蚀24~120小时，目的是使Nb4AlC3相中的Al被腐蚀掉。进一步的，Nb4AlC3陶瓷粉体细度为-200目~-500目。进一步的，步骤二和步骤四中的离心速度均为1000rpm~4000rpm、离心时间均为3min~60min、离心次数均为1~15次，所用去离子水量为5~100ml。进一步的，步骤三中加入质量分数为5wt.%~40wt.%的TBAOH搅拌1~16h，目的是使TBAOH溶于水中电离出TBA+与OH-，与HF电离出的H+、F+成为混合插层物，插层物一起进入到纳米层状结构Nb4C3，并最终形成Tx。进一步的，步骤四中原材料与去离子水的质量比为1∶50~200，加入去离子水清洗，离心去除TBAOH，重复8次以上，多次清洗去除多余的TBA+以及大量的H+、F+和OH-，得到沉淀物，该沉淀物主要为TBA+插层纳米多层结构化合物，含有少量H+、F+和OH-混合插层物。进一步的，步骤四超声处理在氩气保护氛围下完成，时间为20min~4h，目的是将多层堆垛的Nb4C3Tx分散开来形成可以自由溶解于水中单层Nb4C3Tx。本专利技术的技术方案具有如下有益效果：本专利技术利用氢氟酸对MAX相进行刻蚀处理制备方法简单，可以通过超声处理实现大规模剥离，获得单层二维MXene；本专利技术制备的MXene纳米材料具有明显的类石墨烯的二维层状结构，有望应用与超级电容器、锂离子电池、吸附等领域。附图说明图1为Nb4C3Tx抽滤成膜后的示意图；图2为Nb4C3Tx溶液的丁达尔效应；图3Nb4AlC3被氢氟酸腐蚀前后的XRD图谱。具体实施方式下面详细说明本专利技术的具体实施方式，其作为说明书的一部分，通过实施例来说明本专利技术的原理，本专利技术的特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括具体实施方式间的任意组合。实施例1：可用于超级电容器负极的Nb4C3Tx材料的制备方法，按以下步骤实现：一、将Nb、Al、C粉末按照摩尔比4:1.1:2.7混匀后，在1700℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Nb4AlC3陶瓷块体材料，将制备的Nb4AlC3陶瓷材料进行研磨处理，得到Nb4AlC3陶瓷粉体。制备的Nb4AlC3陶瓷粉体细度为200目。二、将Nb4AlC3粉末放入浓度为30wt.%的氢氟酸中腐蚀72小时，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，倒去去上清液，得到沉淀物；三、将沉淀物中加入质量分数为40wt.%的TBAOH（四丁基氢氧化铵）搅拌1h~16h；四、按照原材料与去离子水的质量比为1：100，加入去离子水清洗，离心去除TBAOH（四丁基氢氧化铵），重复8次以上，清洗多次得到沉淀物；五、在沉淀物中加入去离子水，氩气保护状态下超声处理1h，得到单层及多层Nb4C3Tx，按原材料每1g加水5mL~100mL，可以得到浓度为5~50mg/mL的溶液，测量二维晶体Nb4C3Tx的电导率为100~7000S/cm。本实施例步骤二和步骤三中的离心速度均为3500rpm、离心时间为30min、离心次数均为6次。实施例2：可用于超级电容器负极的Nb4C3Tx材料的制备方法，按以下步骤实现：一、将Nb、Al、C粉末按照摩尔比4:1.1:2.7混匀后，在1700℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Nb4AlC3陶瓷块体材料，将制备的Nb4AlC3陶瓷材料进行研磨处理，得到Nb4AlC3陶瓷粉体。制备的Nb4AlC3陶瓷粉体细度为-200目。二、将Nb4AlC3粉末放入浓度为40wt.%的氢氟酸中腐蚀72小时，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，倒去去上清液，得到沉淀物；图3为Nb4AlC3被腐蚀前后的XRD图谱；三、将沉淀物中加入质量分数为40wt.%的TBAOH（四丁基氢氧化铵）搅拌1h~16h；四、按照原材料与去离子水的质量比为1：100，加入去离子水清洗，离心去除TBAOH（四丁基氢氧化铵），重复8次以上，清洗多次得到沉淀物；五、在沉淀物中加入去离子水，氩气保护状态下超声处理1h，得到单层及多层Nb4C3T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维层状Nb4C3材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将Nb、Al、C粉末按照摩尔比4:1.1:2.7混匀后，通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Nb4AlC3陶瓷块体材料，将制备的Nb4AlC3陶瓷材料进行研磨处理，得到Nb4AlC3陶瓷粉体；步骤二、将Nb4AlC3陶瓷粉体放入一定浓度的氢氟酸中，腐蚀一定时间，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，倒去去上清液，得到沉淀物，清洗到PH大于等于5；步骤三、将沉淀物中加入质量分数为5wt.%~40wt.%的TBAOH搅拌；步骤四、加入去离子水清洗，离心去除TBAOH，多次清洗得到沉淀物，在沉淀物中加入去离子水，氩气保护状态下超声处理后，制得悬浊液；步骤五、取悬浊液的上清液，加入去离子水并抽滤，烘干后得到片层状的Nb4C3Tx薄膜，取悬浊液底层沉淀物烘干后，得到堆垛的层片状Nb4C3Tx粉体。

【技术特征摘要】
1.一种二维层状Nb4C3材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将Nb、Al、C粉末按照摩尔比4:1.1:2.7混匀后，通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Nb4AlC3陶瓷块体材料，将制备的Nb4AlC3陶瓷材料进行研磨处理，得到Nb4AlC3陶瓷粉体；步骤二、将Nb4AlC3陶瓷粉体放入一定浓度的氢氟酸中，腐蚀一定时间，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，倒去去上清液，得到沉淀物，清洗到PH大于等于5；步骤三、将沉淀物中加入质量分数为5wt.%~40wt.%的TBAOH搅拌；步骤四、加入去离子水清洗，离心去除TBAOH，多次清洗得到沉淀物，在沉淀物中加入去离子水，氩气保护状态下超声处理后，制得悬浊液；步骤五、取悬浊液的上清液，加入去离子水并抽滤，烘干后得到片层状的Nb4C3Tx薄膜，取悬浊液底层沉淀物烘干后，得到堆垛的层片状Nb4C3Tx粉体。2.根据权利要求1所述的一种二维层状Nb4C3Tx材料的制备方法，其特征在于，步骤二中将Nb4AlC3陶瓷粉体放入浓度为20wt.%~50wt.%的氢氟酸中，在20~75℃的温度下，腐蚀24~120小时。3.根据权利要求1所述的一种二...

【专利技术属性】
技术研发人员：应国兵，马凤辰，张晨，刘璐，张凯城，宿琳，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32