一种单层/少层MXene二维材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种单层/少层MXene二维材料的制备方法，该方法首先制备多层MXene并将其分散在水中得到悬浮液，然后对悬浮液进行超声剥离，接着离心分离并真空冷冻干燥，最终得到单层/少层MXene二维材料。与其他方法相比，本发明专利技术具有高效快捷、绿色环保、危险系数小、应用广泛、易于实现批量生产等显著优点，制得的单层/少层MXene二维材料导电性优异、体积电容更高、比表面积更大、活性位点更多，在锂离子电池和超级电容器方面应用广泛。

A preparation method of single layer / few layer mxene two-dimensional materials

【技术实现步骤摘要】
一种单层/少层MXene二维材料的制备方法
本专利技术涉及功能材料
，具体涉及一种单层/少层MXene二维材料的制备方法。
技术介绍
MXene是近年来新兴的一种类石墨烯二维材料。2011年Gogotsi团队用氢氟酸(HF)合成出的这种过渡金属碳/氮化物MXene，为各个领域的研究人员提供了一个崭新的研究方向。MXene一般采用从Mn+1AXn相中选择性蚀刻出A层进行制备，三元MAX相的结构可以描述为二维Mn+1AXn由A层交错的亚晶格，其中M是早期过渡金属，A为第三或四主族元素，X是C或/和N。MAX是一种层状结构材料，MAX相具有六方层状结构，由MX层和A原子层交替排列组成，M-X之间主要是混合共价/金属键特性，M-A是金属键特性且键性较弱。在特定的化学环境下，可选择性的腐蚀A原子层形成稳定的M-X层，刻蚀表面吸附有-OH、-O、-F等终端官能团，由此形成的二维材料即MXene。MXene作为一类全新的二维材料，由于其本征的纳米层状结构、大的比表面积、良好的亲水性、优异的导电性和催化活性，使得这类二维材料在化学传感、超级电容器、光(电)催化剂、透明导电膜、电子器件、能源以及柔性高强度复合材料等众多领域具有广阔的应用前景。特别是出色的电子特性，使得MXene具有良好的电化学存储电荷性能，被认为是超级电容器和锂离子电池等电化学储能器件的电极材料之一。现有技术中通常采用化学刻蚀法、盐模板法、水热碱法等工艺制备MXene(一般为多层)，或者通过化学气相沉积法直接制备少层MXene。基于少层MXene设计组装的电化学器件表现出良好的电化学性能，因此如何高效制备单层/少层MXene成为了众多专家学者亟待解决的问题。与其他制备方法相比，化学刻蚀法是目前最成熟、最简单、最易获得单层/少层MXene的制备技术，但是该方法在产率、危险性、制备难易程度上与本申请提供的超声剥离法仍然存在较大差异。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单层/少层MXene二维材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：首先制备多层MXene并将其分散在水中，得到多层MXene分散液；然后依次对多层MXene分散液进行超声剥离、离心，得到单层/少层MXene分散液，最后干燥即可。进一步的，多层MXene的制备方法具体如下：将MAX粉末加入到反应液中进行刻蚀、改性处理，接着固液分离即可。所述MAX粉末选自Ti3AlC2、Cr3AlC2、Ti2SiC、Ti2AlN、Ta4AlC3、Ti3(Al0.5,Si0.5)C2、Ti2Al(C0.5,N0.5)、Zr3Al3C5中的至少一种；所述反应液选自HF水溶液、HCl/氟化盐水溶液、H2SO4/氟化盐水溶液、NH4HF2水溶液、有机碱水溶液、有机胺盐水溶液中的至少一种。更进一步的，所述HCl/氟化盐水溶液选自HCl/LiF水溶液、HCl/NaF水溶液、HCl/KF水溶液、HCl/CaF2水溶液中的至少一种；所述H2SO4/氟化盐水溶液选自H2SO4/LiF水溶液、H2SO4/NaF水溶液、H2SO4/KF水溶液、H2SO4/CaF2水溶液中的至少一种；所述有机碱水溶液选自四甲基氢氧化铵水溶液(TMAOH)、二甲基甲酰胺水溶液(DMF)、胆碱水溶液、水合肼水溶液、尿素水溶液中的至少一种；所述有机胺盐水溶液选自异丙胺水溶液、正丁胺水溶液中的至少一种。进一步的，制得的多层MXene在超声剥离之前还需要与二甲基亚砜(DMSO)混合进行插层处理，插层处理完后固液分离并洗涤干净，然后再次分散在水中形成分散液。进一步的，多层MXene分散液超声剥离时的温度不超过20℃，这是因为温度过高MXene会氧化，得不到目标产物。优选的，分散液超声剥离时的温度为冰水浴营造的0℃。超声剥离时的超声功率为50-1000W，超声时间5-600min，超声剥离时的气氛为Ar气。进一步的，超声剥离所使用的设备为超声清洗机、细胞粉碎超声机中的至少一种。进一步的，超声剥离后、离心之前还需要对分散液进行振荡处理，振荡时间5-20min。振荡操作至少有两重目的，一是保证沉淀彻底溶解，二是通过振荡进一步促进MXene剥离，从而最大限度的获得单层/少层MXene二维材料。进一步的，离心时间为5-120min，转速为1000-15000rpm，离心温度不超过10℃。进一步的，所述干燥具体为真空冷冻干燥，冻干温度为-50℃至-30℃，冻干持续时间为12-100h。本专利技术的另一目的在于提供一种按照上述方法制得的单层/少层MXene二维材料。相比于其它方法(如化学刻蚀法)，超声剥离相对简单快捷。层状结构MAX相粉末在化学环境中进行刻蚀/插层处理后超声洗涤得到的MXene悬浮液，主要含有未被完全刻蚀/插层的残留MAX颗粒以及多层MXene纳米片，借助一定强度的超声处理作用，多层MXene纳米片脱层形成单层或单层/少层MXene；同时经过多次离心洗涤处理，多层MXene以及未被完全刻蚀/插层的残留MAX颗粒会沉积在离心管底部，经离心、分离与较厚的MXene纳米片同时被除去，收集上部溶液就能获得单层/少层MXene分散液；最后对单层/少层MXene分散液进行真空冷冻干燥，最终制得了性能优异的单层/少层MXene二维材料粉末。与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在以下几个方面：1.该单层/少层MXene二维材料制备方法基于超声剥离技术，通过超声提供机械冲击以及局部能量积累，为MXene层间分离的形成创造条件，从而实现单层/少层MXene的制备；2.采用本专利技术方法制得的单层/少层MXene二维材料具有优异的导电性和高体积电容，比表面积更大、活性位点更多，应用于锂离子电池中更有利于电解液与电极材料充分接触，能提供有效的离子传输通道；3.本专利技术方法高效快捷、绿色环保、危险系数小、应用广泛，易于实现批量生产。附图说明图1为本专利技术方法工艺流程图；图2为本专利技术实施例1制得的多层MXene二维材料扫描电镜照片；图3为本专利技术实施例3制得的单层/少层MXene二维材料透射电镜照片。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本专利技术的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。实施例1如图1所示的一种单层/少层MXene二维材料制备方法，具体包括以下步骤：首先取1.0gTi3AlC2粉末，将其置于40mL质量浓度为40％的HF水溶液中，恒温搅拌浸泡36h。接着离心分离，所得固体用去离子水洗涤后重新置于反应釜中，再加入二甲基亚砜进行插层处理。插层处理完成后固液分离，所得固体反复洗涤后分散在去离子水中，再通入氩气并维持30min以便尽可能排除空气，接着将分散液置于冰水浴中以500W的功率超声剥离2h，得到Ti3C2Tx悬浮液。手动振荡Ti3C2Tx悬浮液10min，接着在3500rpm、10℃以下环境中离心1h，得到单层/少层Ti3C2Tx分散液。将单层/少层Ti3C2Tx分散液置于真空冷冻干燥箱中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单层/少层MXene二维材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：首先制备多层MXene并将其分散在水中，得到多层MXene分散液；然后依次对多层MXene分散液进行超声剥离、离心，得到单层/少层MXene分散液，最后干燥即可。/n

【技术特征摘要】
1.一种单层/少层MXene二维材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：首先制备多层MXene并将其分散在水中，得到多层MXene分散液；然后依次对多层MXene分散液进行超声剥离、离心，得到单层/少层MXene分散液，最后干燥即可。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于多层MXene的制备方法具体如下：将MAX粉末加入到反应液中进行刻蚀、改性处理，接着固液分离即可；所述MAX粉末选自Ti3AlC2、Cr3AlC2、Ti2SiC、Ti2AlN、Ta4AlC3、Ti3(Al0.5,Si0.5)C2、Ti2Al(C0.5,N0.5)、Zr3Al3C5中的至少一种；所述反应液选自HF水溶液、HCl/氟化盐水溶液、H2SO4/氟化盐水溶液、NH4HF2水溶液、有机碱水溶液、有机胺盐水溶液中的至少一种。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述HCl/氟化盐水溶液选自HCl/LiF水溶液、HCl/NaF水溶液、HCl/KF水溶液、HCl/CaF2水溶液中的至少一种；所述H2SO4/氟化盐水溶液选自H2SO4/LiF水溶液、H2SO4/NaF水溶液、H2SO4/KF水溶液、H2SO4/CaF2水溶液中的至少一种；所述有机碱水溶液选自四甲基氢氧化铵水溶液、二甲基甲酰胺水溶液、胆碱水溶液、水合肼水溶液、尿素水溶液中的至少一种；所述有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：李能，曾宪兵，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42