一种快速大规模制备MXenes的方法技术

本发明专利技术公开了一种快速大规模制备MXenes的方法，属于MXenes材料领域。所述制备方法为NH4HF2与MAX前驱体、反应介质在超临界CO2氛围下反应4～12h。本发明专利技术公开的制备方法在超临界二氧化碳氛围下反应，在较低的温度和较低的压强条件下实现MXenes的快速大批量刻蚀，最短仅需4h；本发明专利技术的反应条件温和，可以避免MXenes的过度刻蚀，制备的MXenes缺陷更少，可在短时间内实现多种MAX相的刻蚀。因此，本发明专利技术方法成本低、反应条件温和、耗时短、易于操作、更有利于MXenes的产业化。于MXenes的产业化。于MXenes的产业化。

【技术实现步骤摘要】
一种快速大规模制备MXenes的方法


[0001]本专利技术属于MXenes材料领域，具体涉及一种快速大规模制备MXenes的方法。

技术介绍

[0002]MXenes是一种二维过渡金属碳或/和氮化物，是由美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授和Michel W.Barsoum教授等人在2011年合作发现的一种新型二维结构材料。MXenes的化学通式可用M
n+1
X
n
T
x
表示，其中M指过渡金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc等)，X指C或/和N，n一般为1
‑
3，T
x
指表面基团(如
‑
O、
‑
OH、
‑
F等)。在MXenes结构中，有碳原子层，因此具有类似石墨烯的良好的导电性，同时过渡原子层让材料具有类似过渡金属氧化物的性能。在制备过程中，表面形成的官能团使其展现出良好的亲水性能，易形成稳定的水溶液。综上，由于MXenes具有优异的亲水性、电导率和易于加工的特性，其在电化学储能，电磁屏蔽，光电等领域有着潜在的应用前景。比如在超级电容器领域，MXenes呈现赝电容响应，功率密度高，循环性能稳定，而且相比传统碳基电极，其堆积密度高，能量密度相对较高。
[0003]由于M
‑
A与M
‑
X间键能差别，可以通过MAX前驱体的选择性刻蚀A原子得到MXenes。目前，MXenes的制备的主要的技术主要包括：含高氧化性的氟酸性溶液法以及高温熔盐法等。
[0004]然而，现有技术存在几个突出问题：
[0005]1.现有技术反应常耗费12
‑
196小时，或者有着复杂的后处理过程，并且单次产量不高(<10g)，极大地限制了MXenes的产业化和商业化应用；
[0006]2.MXenes制备过程中常在水溶液中进行，而MXene在水中极易容易发生氧化，限制了体系反应温度；
[0007]3.熔盐法等，路易斯酸法刻蚀温度高，环境污染大，不利于实际生产和应用；
[0008]4.现有技术制备得到的MXenes往往具有缺陷，且片层小，产率低，不利于实际应用和产业化生产；
[0009]5.现有技术制备针对性较强，仅适用部分MAX前驱体，不具有通用性。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种快速大规模制备MXenes的方法。
[0011]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种快速大规模制备MXenes的方法，NH4HF2与MAX前驱体、反应介质在超临界CO2氛围下反应4～12h，反应的温度为35～120℃，压强为5～20MPa，其中，所述的反应介质为PC、ACN、DMF、NMP或DMSO中的任意一种。
[0012]进一步地，所述NH4HF2、MAX前驱体与反应介质的重量比为0.5～1.5:1。
[0013]PC为碳酸丙烯酯的缩写、ACN为乙腈的缩写、DMF为N,N
‑
二甲基甲酰胺的缩写、NMP为N
‑
甲基吡咯烷酮的缩写、DMSO为二甲亚砜的缩写。
[0014]进一步地，所述MAX前驱体为Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti3AlCN、Nb2AlC、Mo2TiAlC2、V2AlC或
Mo2Ga2C。
[0015]作为优选方案，所述MAX前驱体分别为Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti3AlCN、Nb2AlC、Mo2TiAlC2、V2AlC、Mo2Ga2C时，NH4HF2、MAX前驱体与反应介质的重量比依次为0.57:1，1.14:1，0.57:1，1.14:1，1.14:1，1.14:1、1.14:1。
[0016]进一步地，反应式在聚四氟乙烯的容器中进行。
[0017]进一步地，它还包括产物清洗和干燥的步骤，采用盐酸和异丙醇的混合物对产物先进行离心，再用碳酸丙烯酯洗涤离心产物，清洗后真空条件下进行干燥。
[0018]进一步地，所述离心的离心机转速为3500rpm，离心时间为3min。
[0019]进一步地，所述离心前还包括旋涡振荡器振荡的步骤，所述振荡的时间为50～70s。
[0020]进一步地，所述真空干燥的温度为35～45℃，干燥时间为20～28h。
[0021]本专利技术具有以下优点：
[0022]1.本专利技术公开的制备方法在超临界二氧化碳氛围下反应，在较低的温度(相比于熔盐法)和较低的压强条件下实现MXenes的快速大批量刻蚀，最短仅需4h；
[0023]2.本专利技术在PC、ACN、DMF、NMP或DMSO的溶剂中进行刻蚀，避免MXene氧化的同时提高了反应体系的温度，也可避免Mxenes的过度刻蚀，并且使用NH4HF2作为刻蚀剂，避免现有技术HF的直接使用，反应条件更加温和，因此，本专利技术方法制备的MXenes缺陷更少；
[0024]3.本专利技术的方法可以实现多种MAX相的刻蚀，如Ti3AlC2，Ti2AlC，Ti3AlCN，Nb2AlC，Mo2TiAlC2,V2AlC和Mo2Ga2C；
[0025]4.本专利技术的方法合成时间短，在较低的温度和较低的压强下即可进行大批量制备Mxenes，性价比更高，更有利于Mxenes的产业化。
附图说明
[0026]图1为本专利技术方法制备的Ti3C2T
x
‑
MXene的XRD谱图及SEM图，其中，图a为小批量制备的Ti3C2T
x
‑
MXene的XRD谱图，图b为其SEM图。
[0027]图2为本专利技术方法批量制备的(>10g)Ti3C2T
x
‑
MXene的SEM图。
[0028]图3为本专利技术方法批量制备的(>10g)Ti3C2T
x
‑
MXene的XRD谱图。
[0029]图4为在不同条件下采用本专利技术方法制备的多种MXenes的SEM图。
[0030]图5为不同条件下采用本专利技术方法制备的多种MXenes的XRD图；其中，a为Nb2AlC，b为V2AlC，c为Ti2AlC，d为Mo2Ga2C，e为Ti3AlCN，f为Mo2TiAlC2。
具体实施方式
[0031]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的描述，本专利技术的保护范围不局限于以下所述：
[0032]实施例1：一种快速大规模制备Ti3AlC2‑
MAX的方法，聚四氟乙烯的容器中加入NH4HF2、Ti3AlC2‑
MAX的前驱体、反应介质PC在超临界CO2氛围下反应4h，反应的温度为80℃，压强为10MPa，所述NH4HF2、MAX前驱体与反应介质的重量比为0.57:1；
[0033]反应后对产物进行清洗和干燥，旋涡振荡器振荡50s，采用盐酸和异丙醇的混合物对产物先进行离心，离心机转速为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速大规模制备MXenes的方法，其特征在于，NH4HF2与MAX前驱体、反应介质在超临界CO2氛围下反应4～12h，反应的温度为35～120℃，压强为5～20MPa，其中，所述的反应介质为PC、ACN、DMF、NMP或DMSO中的任意一种。2.根据权利要求1所述的一种快速大规模制备MXenes的方法，其特征在于快速大批量制备MXenes，所述NH4HF2、MAX前驱体与反应介质的质量比为0.5～1.5:1。3.根据权利要求1所述的一种快速大规模制备MXenes的方法，其特征在于，所述MAX前驱体为Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti3AlCN、Nb2AlC、Mo2TiAlC2、V2AlC或Mo2Ga2C。4.根据权利要求1所述的一种快速大规模制备MXenes...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨维清，李海坚，李杰，段中意，陈宁俊，
申请(专利权)人：四川金时新能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：