环境稳定、导电性以及机械性能优异的二维碳化钛薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种环境稳定、导电性以及机械性能优异的二维碳化钛薄膜及其制备方法与应用。所述二维碳化钛薄膜的制备方法包括如下步骤：(1)将质子酸与二维碳化钛分散液混合；(2)将经步骤(1)处理后的所述二维碳化钛分散液加工成膜得到湿态的二维碳化钛薄膜；(3)所述湿态的二维碳化钛薄膜经干燥处理即得。本发明专利技术方法能够得到无外源插层剂的二位碳化钛薄膜材料，其兼具优异的环境稳定性、导电性以及机械性能，其用作电磁屏蔽涂层时，能使得其具有优异的电磁屏蔽性能以及稳定性，可以适用于不同场景下的电磁干扰屏蔽。不同场景下的电磁干扰屏蔽。

【技术实现步骤摘要】
环境稳定、导电性以及机械性能优异的二维碳化钛薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种环境稳定、导电性以及机械性能优异的二维碳化钛薄膜及其制备方法与应用，属于电磁屏蔽、柔性导电电极/集流体等领域。

技术介绍

[0002]随着人类社会的不断发展与进步，在微型、柔性电子器件上的需求日渐增长。其中，以化学修饰石墨烯、碳纳米管为代表的低维纳米材料可以被加工成薄膜材料，在电磁屏蔽、柔性导电电极/集流体领域已经展现了非常广泛的应用前景。二维碳化钛(MXene)材料首次合成于2011年，它有着比化学修饰石墨烯和碳纳米管更为优异的导电性以及电化学储能性能，因此在电磁屏蔽掩体以及导电电极领域具有更好的应用潜力。但是由于二维碳化钛的化学不稳定性，在水氧条件下它可以在数周内被快速地氧化为二氧化钛，从而失去导电性以及相应的机械性能，这严重地限制了它的实际应用。因此，发展环境稳定性好，同时导电、力学性能优异的二维碳化钛薄膜材料对于其在柔性电子学、电磁屏蔽等领域的应用尤为关键。
[0003]一般而言，二维碳化钛可以被加工成自支撑的薄膜材料(微米级厚度以上)以及透明导电薄膜(亚微米到纳米级厚度)，这两种薄膜材料在柔性储能器件、电磁屏蔽掩体、电磁屏蔽涂层以及透明导电电极等应用中已经被证明具有极大的应用潜力。由于其较差的化学稳定性，研究者们发展出了封装的方法来抑制其氧化分解。然而，对于导电电极等应用场景，复杂的封装工艺或结构会带来器件制备成本的急剧提高，这并不是一个最好的解决方案。因此，需要提供一种新的提高二维碳化钛薄膜综合性能的制备方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术从二维碳化钛薄膜在水氧条件下氧化降解机制的基础研究出发，提供了一种能够去除二位碳化钛片层间插层剂的二维碳化钛薄膜的制备方法，所制备的二维碳化钛薄膜层间几乎没有插层剂，因此二维碳化钛片层之间的相互作用会显著增强，这同时提高了薄膜材料的导电性、力学性能以及环境稳定性。
[0005]本专利技术所提供的二维碳化钛薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0006](1)将质子酸与二维碳化钛分散液混合，以利用质子交换二维碳化钛纳米片层中的插层剂；
[0007](2)将经步骤(1)处理后的所述二维碳化钛分散液加工成膜得到湿态的二维碳化钛薄膜；
[0008](3)所述湿态的二维碳化钛薄膜经干燥处理即得到自支撑的二维碳化钛薄膜材料或负载于基底上的涂层。
[0009]本专利技术方法采用的二维碳化钛分散液简单易得；通过采用质子酸处理的方法可以高效地将二维碳化钛制备过程中引入的辅助插层剂用质子进行交换，从而加工制备得到的
二维碳化钛薄膜层间不具有例如锂离子、二甲亚砜、四甲基铵离子等插层剂，因此大大提升了二维碳化钛薄膜材料的导电性、力学性能以及环境稳定性。该方法可适应多种制备环境，同时制备条件可在大范围内进行调控，非常适合工业化放大和大规模制备；所得的二维碳化钛薄膜材料环境稳定性、导电性以及力学性能均十分优异，广泛适用于柔性导电电极、透明导电电极以及电磁屏蔽等领域。
[0010]具体地，所述二维碳化钛分散液采用HF刻蚀法、原位HF刻蚀法(如LiF/HCl)、电化学合成方法和碱刻蚀法中任一种方法制备，简单易得，成本低廉，适合大批量生产；
[0011]所述二维碳化钛分散液的溶剂为水、乙醇、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜和N-甲基吡咯烷酮中任一种；
[0012]所述二维碳化钛分散液的浓度为0.05～20mg/mL。
[0013]上述的制备方法中，步骤(1)中，所述质子酸可为盐酸、硫酸、高氯酸、氢氟酸、磷酸和乙酸中的至少一种，可促进质子交换二维碳化钛片层上的插层剂；
[0014]所述质子酸与所述二维碳化钛分散液的混合液中，所述质子酸的浓度为0.01～3mol/L，可促进质子交换二维碳化钛片层上的插层剂；
[0015]所述二维碳化钛分散液与所述质子酸的质量比为0.1～100：1，可促进质子交换二维碳化钛片层上的插层剂。
[0016]上述的制备方法中，步骤(1)中，所述混合的步骤如下：
[0017]将所述质子酸与所述二维碳化钛分散液混合均匀后进行机械搅拌、超声混合或辅助加热；
[0018]所述质子酸处理的时间为1～600min。
[0019]上述的制备方法中，步骤(2)中，所述加工成膜的方法为真空辅助过滤、刮涂、喷涂或旋涂；
[0020]在支持基底材料上成膜，所述支持基底材料可为聚四氟乙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物、聚丙烯、玻璃纤维、醋酸纤维素、玻璃、金属和石墨箔中任一种。
[0021]上述的制备方法中，步骤(3)中，在低湿度下或真空环境下进行干燥处理；
[0022]所述干燥处理为然风干处理、鼓风烘干处理或真空烘干处理。
[0023]上述的制备方法中，所述真空烘干处理的的温度为20～150℃，时间为4～100h。
[0024]本专利技术方法能够得到无外源插层剂的二位碳化钛薄膜材料，其兼具优异的环境稳定性、导电性以及机械性能。
[0025]进一步地，本专利技术还提供了一种电磁屏蔽涂层，其中的电磁波的吸收以及反射损耗层是由本专利技术方法制备的无外源插层剂的二位碳化钛薄膜材料制成。因此，因无外源插层剂的二位碳化钛薄膜兼具优异的环境稳定性、导电性以及机械性能的特点，用作电磁屏蔽涂层时，能使得其具有优异的电磁屏蔽性能以及稳定性，可以适用于不同场景下的电磁干扰屏蔽。
附图说明
[0026]图1是本专利技术二维碳化钛薄膜的制备方法的流程示意图。
[0027]图2是本专利技术实施例采用的二维碳化钛纳米片层的扫描电镜图。
[0028]图3是本专利技术实施例1中层间有插层剂二维碳化钛薄膜截面的扫描电镜图。
[0029]图4是本专利技术实施例1中层间无外源插层剂二维碳化钛薄膜截面的扫描电镜图。
[0030]图5是本专利技术实施例1中层间有插层剂二维碳化钛薄膜样品的应力-应变图。
[0031]图6是本专利技术实施例1中层间无外源插层剂二维碳化钛薄膜样品的应力-应变图。
[0032]图7是本专利技术实施例1中层间无外源插层剂以及层间有插层剂的二维碳化钛薄膜的电阻随时间变化的关系图(在100％相对湿度的环境中存放)。
[0033]图8是本专利技术实施例1中三种不同厚度层间无外源插层剂二维碳化钛薄膜的电磁屏蔽性能。
具体实施方式
[0034]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0035]下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0036]在本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种制备环境稳定、导电性以及机械性能优异的二维碳化钛薄膜的方法，根据本专利技术的实施例，参考图1，该方法包括：
[0037]S100：用质子酸处理二维碳化钛分散液
[0038]该步骤中，将质子酸稀释液与二维碳化钛分散液进行混合，并保持一定的混合时间，以便在二维碳化钛纳米片层表面进行比较充分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维碳化钛薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)将质子酸与二维碳化钛分散液混合；(2)将经步骤(1)处理后的所述二维碳化钛分散液加工成膜得到湿态的二维碳化钛薄膜；(3)所述湿态的二维碳化钛薄膜经干燥处理即得。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述二维碳化钛分散液采用HF刻蚀法、原位HF刻蚀法、电化学合成方法和碱刻蚀法中任一种方法制备；所述二维碳化钛分散液的溶剂为水、乙醇、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜和N-甲基吡咯烷酮中任一种；所述二维碳化钛分散液的浓度为0.05～20mg/mL。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述质子酸为盐酸、硫酸、高氯酸、氢氟酸、磷酸和乙酸中的至少一种；所述质子酸与所述二维碳化钛分散液的混合液中，所述质子酸的浓度为0.01～3mol/L；所述二维碳化钛分散液与所述质子酸的质量比为0.1～100：1。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述混合的步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春，陈泓武，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：