一种单层MXene材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及二维层状材料技术领域，具体公开一种单层MXene材料的制备方法。所述制备方法具体为：将多层MXene与还原性溶剂混合，于90℃～180℃的条件下反应6h～24h，洗涤，超声，离心，干燥，得到所述单层MXene材料。本申请通过采用还原性溶剂为插层剂，于90℃～180℃的条件下进行溶剂热插层反应来剥离多层Mxene材料，方法简单可行、易于大量制备尺寸均匀、分散性好的单层Mxene纳米材料，且所采用的还原性溶剂无毒无害，不会破坏单层Mxene材料的物理结构和电学结构。结构和电学结构。结构和电学结构。

【技术实现步骤摘要】
一种单层MXene材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及二维层状材料
，尤其涉及一种单层MXene材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着单原子层石墨材料的成功分离，以石墨烯为代表的二维材料得到了迅速发展和广泛研究。二维材料中的电子仅可在两个维度上自由运动，具有独特的物理和化学性质。近年来，随着对二维材料的不断研究和探索，二维材料家族逐渐丰富起来，除石墨烯外，还包括MXene、黑磷、过渡金属硫化物等。
[0003]MXene材料是2011年由美国的Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授团队共同发现的，一般由层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成，具有比表面积高、电导率高、良好的光学和机械性等优点。MXene材料的一般用通式M
n+1
X
n
T
x
来表示，其中，M为过渡金属Ti、Sc、Mo、V或Cr等；X为碳、氮或碳氮；T为表面基团如
‑
O，
‑
OH，
‑
F等；n值通常为1、2、3等，n值与材料稳定性呈正相关关系。MAX相是制备MXene的前驱体，其中A为第三或第四主族元素，迄今为止，MAX相家族成员已经达到100多种，传统MAX相材料包括Ti3AlC2、Ti2AlC、V2AlC和Cr2AlC等。MAX相具有六方层状结构，由MX层和A原子层交替排列组成，其中MX层之间是以金属键结合的，与A原子层之间存在范德华力，所以，在MAX相中，M
‑
A键比Mr/>‑
X键有更强的化学活性，使得M
‑
A键的结合力较弱，因而可以选择性刻蚀掉A层原子，最终获得与之对应的通式为M
n+1
X
n
的多层叠状材料。由于二维MXene层间的范德华力，易产生自堆叠，影响材料性能，现多采用向层间插入分子从而扩大层间距，但从目前的研究现状来看，分子插层和剥离效率不尽如人意，主要原因归咎于分子插层的动力不足，仅有少部分插层试剂进入MXene的层间。因此，亟需寻找一种提高插层试剂的插层能力的方法，以解决分子插层的动力不足的问题。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本申请提供一种单层MXene材料的制备方法，采用溶剂热插层的方法，实现溶剂的有效插层和多层MXene分子的有效剥离。
[0005]为达到上述专利技术目的，本专利技术实施例采用了如下的技术方案：
[0006]一种单层MXene材料的制备方法，将多层MXene与还原性溶剂混合，于90℃～180℃的条件下反应6h～24h，洗涤，超声，离心，干燥，得到所述单层MXene材料，其中，所述还原性溶剂为丙酮、水合肼、氯仿、异丙胺、乙腈或抗坏血酸。
[0007]相对于现有技术，本专利技术提供的单层MXene材料的制备方法，具有以下优势：
[0008]本申请通过采用还原性溶剂为插层剂，于90℃～180℃的条件下进行溶剂热插层来剥离多层Mxene材料，方法简单可行，易于大量制备尺寸均匀、分散性好的单层Mxene纳米材料，且所采用的还原性溶剂无毒无害，不会破坏单层Mxene材料的物理结构和电学结构。
[0009]因目前分子插层的动力不足，申请人经大量研究偶然发现，在溶剂热插层的过程中，在90℃～180℃的温度条件下，能实现溶剂的有效插层和多层MXene分子的有效剥离，究
其原因可能在于：以吉布斯自由能(ΔG)代表溶剂热插层的驱动力，在一定的温度条件下，插层反应的熵ΔS会增大，对于MXene和有机溶剂的混合体系，由于MXene中相邻的两个片层之间的范德华引力，插层反应的焓ΔH一般是正值，因此，在一定高温条件下，根据吉布斯自由能(ΔG)为ΔG＝ΔH
‑
TΔS，ΔS增大会导致ΔG的数值减小，ΔG的数值减小，表明热插层的驱动力在增加。所以在一定高温条件下，有机溶剂可以有效的克服MXene层间范德华引力，实现对多层MXene进行溶剂热插层，得到单层MXene材料。
[0010]可选的，多层MXene的分子式为M
n+1
X
n
T
x
，其中M为元素Ti、Nb、V、Sc、Zr、Hf、Cr、Mo或Ta，X为元素C或N，n为1、2或3，T为表面基团
‑
O，
‑
OH或
‑
F中的至少一种。
[0011]可选的，所述多层MXene为Ti3C2、Ti2C、Nb2C、V2C、V4C3、Ta4C3。
[0012]可选的，所述还原性溶剂与多层MXene的质量比为60～100:1。
[0013]通过选择特定的还原性溶剂，并通过控制其质量比，使得溶剂分子能缓慢进入多层MXene层间隙中，大大提高多层MXene片层的层间距，然后通过加热去除层间溶剂分子或离子，进而得到单层MXene材料。
[0014]可选的，所述洗涤的具体过程为依次采用乙醇洗涤2次～4次，采用去离子水洗涤2次～4次。
[0015]优选的洗涤条件能够将溶剂热插层反应液中的溶剂洗涤干净，为后期得到高纯度的单层MXene材料提供基础。
[0016]可选的，所述离心的条件为：转速为3000rpm～4000rpm，时间为50min～70min。
[0017]进一步可选的，所述离心的条件为：转速为3500rpm，时间为60min。
[0018]可选的，所述超声的条件为：温度为0℃～5℃冰浴，频率为35kHz～45kHz，时间为25min～35min。
[0019]进一步可选的，所述超声的条件为：温度为0℃冰浴，频率为40kHz。
[0020]优选的超声条件能将单层单层MXene材料充分分散在水中，并与水能形成胶体溶液。
[0021]可选的，所述干燥采用真空冷冻干燥，且所述冷冻的温度为
‑
35℃～
‑
45℃。
[0022]可选的，所述多层MXene的制备方法为：将MAX相原料以300mg/min～400mg/min速率加入到HF溶液中，在30℃～40℃温度下搅拌22h～26h，离心，洗涤至上清液的pH为6～8，过滤，得到多层MXene；所述MAX相原料的分子式为M
n+1
AX
n
，其中，M为元素Ti、Nb、V、Sc、Zr、Hf、Cr、Mo或Ta，其中X为元素C或N，n为1、2或3，A为Al、Si、Sn或Ge。
[0023]可选的，所述MAX相原料与HF溶液的质量体积比为(0.5～1.5):10，所述质量的单位为g，所述体积的单位为ml；所述HF溶液的质量浓度为45％～55％。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单层MXene材料的制备方法，其特征在于：将多层MXene与还原性溶剂混合，于90℃～180℃的条件下反应6h～24h，洗涤，超声，离心，干燥，得到所述单层MXene材料，其中，所述还原性溶剂为丙酮、水合肼、氯仿、异丙胺、乙腈或抗坏血酸。2.如权利要求1所述的单层MXene材料的制备方法，其特征在于：所述多层MXene的分子式为M
n+1
X
n
T
x
，其中M为元素Ti、Nb、V、Sc、Zr、Hf、Cr、Mo或Ta，X为元素C或N，n为1、2或3，T为表面基团
‑
O，
‑
OH或
‑
F中的至少一种。3.如权利要求2所述的单层MXene材料的制备方法，其特征在于：所述多层MXene为Ti3C2、Ti2C、Nb2C、V2C、V4C3、Ta4C3。4.如权利要求1所述的单层MXene材料的制备方法，其特征在于：所述还原性溶剂与多层MXene的质量比为60～100:1。5.如权利要求1所述的单层MXene材料的制备方法，其特征在于：所述洗涤的具体过程为依次采用乙醇洗涤2次～4次，采用去离子水洗涤2次～4次。6.如权利要求1所述的单层MXene材料的制备方法，其特征在于：所述离心的条件为：转速...

【专利技术属性】
技术研发人员：安浩然，王圣元，王帅晴，刘康兵，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：