一种超薄单层钒基MXene材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于二维纳米材料技术领域，涉及一种超薄单层钒基MXene材料的制备方法，包括以下步骤：将钒基MAX相陶瓷材料、氯化钠、氯化钾及其他氯离子盐，按1:(1

【技术实现步骤摘要】
一种超薄单层钒基MXene材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于二维纳米材料
，具体涉及一种超薄单层钒基MXene材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢能是21世纪极具广阔前景的可再生能源，氢能有望成为传统化石燃料的替代品。制氢方法中电解水制氢是目前公认的最佳方法，开发高效的析氢电催化剂是该技术运用的关键。铂(Pt)等贵金属表现出目前最为优异的催化活性，但由于贵金属在地壳中的含量低、价格昂贵等缺点，大大地限制了其工业化的发展。
[0003]近年来，MXene作为新兴的一种类石墨烯二维材料，迅速进入了人们的视野。自2011年Gogotsi团队首次用氢氟酸合成Ti3C2 MXene以来，这种新型过渡金属碳/氮化物MXene由于其具有独特的结构和电子性能，便引起了越来越多研究者的广泛关注。MXene是在选择性刻蚀掉其前驱体MAX相的A层原子后产生的，通常具有多层结构，且具有良好的导热性、导电性、高热稳定性和抗氧化性，在光(电)催化、能源存储等领域显示出巨大的潜能。
[0004]现有的制备单层/多层MXene的技术中，通常先采用化学刻蚀法(HF或LiF+HCl)制备出多层MXene材料，再将多层MXene材料分散成单层或更少层的薄片是生产MXene时最重要的步骤之一，通常需要借助超声波处理——分层、分离和剥离MXene片材的主要工具。例如，Massoud Malaki等人[Massoud Malaki,et al.MXenes and ultrasonication[J].J.Mater.Chem.A,2019,7,10843
‑
10857]对MXene材料的超声化学合成的最新进展进行了综述讨论，包括超声处理的基础知识，不同的超声处理参数设置等，但显然超声合成过程中对缺陷，尺寸，形貌的控制是难点和关键，超声虽然可以剥离MXene，但过度超声会导致大面积片层遭到破坏，尺寸形貌不均一等。另外，Zhang等人[Shunlong Zhang,Pengfei Huang,Jianli Wang,et al.Fast and Universal Solution
‑
Phase Flocculation Strategy for Scalable Synthesis of Various Few
‑
Layered MXene Powders[J].J.Phys.Chem.Lett.2020,11,4,1247
–
1254]在HF酸刻蚀后的多层MXene溶液中加入NH
4+
，通过液相絮凝方法(NH
4+
方法和改良的NH
4+
方法)来解决MXene纳米片的重新堆叠和聚集问题。虽然最终少层MXene产物尺寸大且均匀，但制备过程复杂，HF酸的使用污染不环保，安全系数低，阻碍了其在各领域大规模的工业化应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种超薄单层钒基MXene材料及其制备方法和应用，解决了化学刻蚀法安全性低以及环保性低、超声波剥离技术的功率、时间等参数要求高等问题。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]一种超薄单层钒基MXene材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)将钒基MAX相陶瓷材料、氯化钠、氯化钾及其他氯离子盐，按1:(1
‑
10):(1
‑
10):(3
‑
65)的质量比混合，并充分研磨均匀，得到混合物A；
[0009]2)将混合物A在真空或惰性气体气氛下，先以(3
‑
5)℃/min的升温速率自室温升温至300
‑
800℃，再以(8
‑
15)℃/min的升温速率升温至400
‑
1000℃，保温2
‑
6h，充分反应，待反应结束后自然冷却至室温，得到粉末产物B；
[0010]3)将粉末产物B移入酸性溶液中，浸泡2
‑
72h；
[0011]4)将浸泡后的产物洗涤，直至pH为6
‑
8，离心后得到沉淀物；
[0012]5)将离心后得到的沉淀物以
‑
45～
‑
35℃的温度冷冻干燥6
‑
12h后，得到超薄单层钒基MXene材料。
[0013]进一步，步骤1)中，钒基MAX相陶瓷材料为V2AlC、V3AlC2、V4AlC3或V2AlN。
[0014]进一步，步骤1)中，其他氯离子盐包括MgCl2、CaCl2、FeCl3、CoCl2、NiCl2、CuCl2、ZnCl2、AgCl2、CdCl2、MnCl2、NbCl5和CdCl2中的任意一种或两种以上的组合。
[0015]进一步，步骤3)中，酸性溶液采用浓度为0.3
‑
5mol/L的稀硝酸、稀硫酸或稀盐酸。
[0016]进一步，步骤4)中，离心时间为3
‑
5min，转速为3000
‑
9000rpm。
[0017]本专利技术还公开了所述制备方法制备得到的一种超薄单层钒基MXene材料，所述的超薄单层钒基MXene材料呈现超薄片状二维结构，分子式为(M
n
+1X
n
T
y
)，其中M代表过渡金属V，X代表C、N或二者的组合，n＝1、2或3，T代表表面官能团，表面官能团为
‑
OH、
‑
O或
‑
Cl；y代表官能团T的数目。
[0018]进一步，所述超薄单层钒基MXene材料的薄片状厚度为3
‑
10nm，比表面积尺寸为200nm
‑
1μm。
[0019]本专利技术还公开了所述超薄单层钒基MXene材料作为电催化剂用于析氢电催化。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0021]本专利技术公开了一种超薄单层钒基MXene材料的制备方法，相较于传统化学刻蚀法(HF或LiF+HCl)结合超声波剥离的方法制备单层/少层MXene，本专利技术采用氯离子盐直接固相法刻蚀的制备方法，先在300
‑
800℃缓慢升温的熔融态下充分使得Na
+
、K
+
插入MAX陶瓷材料层间，达到初步刻蚀以及提供熔融态的作用；便于其他氯离子盐的阳离子(如Mg
2+
、Cu
2+
、Zn
2+
等)在熔融态下引入层间，与MAX陶瓷材料的Al离子层发生置换，从而达到Al离子的刻蚀脱出。进而得到刻蚀后的单层/多层MXene材料。氯化钠和氯化钾是必须的，其作用是在熔融态K
+
和Na
+
离子半径大，可先插入MAX相陶瓷材料的层间，便于其他氯离子盐阳离子的加入对Al离子层进行置换。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超薄单层钒基MXene材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将钒基MAX相陶瓷材料、氯化钠、氯化钾及其他氯离子盐，按1:(1
‑
10):(1
‑
10):(3
‑
65)的质量比混合，并充分研磨均匀，得到混合物A；2)将混合物A在真空或惰性气体气氛下，先以(3
‑
5)℃/min的升温速率自室温升温至300
‑
800℃，再以(8
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15)℃/min的升温速率升温至400
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1000℃，保温2
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6h，充分反应，待反应结束后自然冷却至室温，得到粉末产物B；3)将粉末产物B移入酸性溶液中，浸泡2
‑
72h；4)将浸泡后的产物洗涤，直至pH为6
‑
8，离心后得到沉淀物；5)将离心后得到的沉淀物以
‑
45～
‑
35℃的温度冷冻干燥6
‑
12h后，得到超薄单层钒基MXene材料。2.根据权利要求1所述的一种超薄单层钒基MXene材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，钒基MAX相陶瓷材料为V2AlC、V3AlC2、V4AlC3或V2AlN。3.根据权利要求1所述的一种超薄单层钒基MXene材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，其他氯离子盐包括MgCl2、CaCl2、FeCl3、C...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，李晓艺，曹丽云，何丹阳，牛梦凡，徐国婷，解雅洁，冯亮亮，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：