二维过渡金属化合物及其制备方法、电子器件和用途技术

本发明专利技术公开了一种二维过渡金属化合物的制备方法，其中，包括步骤将MAX相材料与刻蚀剂发生反应，刻蚀剂刻蚀A，并且还刻蚀部分M，得到富缺陷的二维过渡金属化合物MX。本发明专利技术的制备方法制备得到的二维过渡金属化合物材料具有非常规的M和X原子比例，由于刻蚀剂能够刻蚀二维过渡金属化合物片层表面的部分M成分，制备得到的二维过渡金属化合物材料的片层表面富有缺陷，该些缺陷能够增大M成分或X成分的原子暴露，赋予材料新的性能，在催化、储能等领域具有应用潜力。有应用潜力。有应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
二维过渡金属化合物及其制备方法、电子器件和用途


[0001]本专利技术涉及新材料领域，尤其涉及一种富缺陷的二维过渡金属化合物及其制备方法、电子器件和用途。

技术介绍

[0002]过渡金属化合物是一类具有很高机械强度和硬度的材料，这类材料是一种金属间填充型化合物，由碳原子填隙式融进过渡金属晶格中形成，倾向于形成可在一定范围内变动组成的非计量间隙化合物。由于其独特的物理、化学以及结构性能，已经被广泛应用于光电器件、储能及催化等众多方面。而二维的过渡金属碳化物材料相比块体材料具有更高的比表面积，使其在上述领域中能够发挥出更重要的作用。所以，二维过渡金属碳化物的制备将会成为一种重要的技术手段。
[0003]目前，二维过渡金属化合物的制备可以分成两种：自上而下法和自下而上法。其中，自上而下的合成方法主要是通过氢氟酸、盐酸+含氟盐、强碱等液相刻蚀、电化学刻蚀、熔融盐等方法选择性刻蚀MAX相材料中的A相，实现二维过渡金属碳化物材料的合成。这些方法合成简单，但是其过程耗费时间长，难以精确控制，产率低，过程中使用大量的氢氟酸、强酸强碱等污染性大的合成原料。
[0004]而自下而上的合成方法是通过过渡金属化合物的前驱体经过化学气相沉积法合成，该合成方法得到的二维过渡金属化合物结晶程度高，但其产品产率低，尺寸小，无法大规模进行合成，而且后续的处理过程中要使用大量溶剂和表面活性剂，对材料本身有一定的污染，影响其在光电器件、储能及催化等领域的性能表现。

技术实现思路

[0005]本专利技术一方面提供一种二维过渡金属化合物的制备方法，步骤包括：将MAX相材料与刻蚀剂发生反应，刻蚀剂刻蚀A，并且还刻蚀部分M，得到富缺陷的二维过渡金属化合物MX。
[0006]在一些实施例中，刻蚀剂为卤族单质或卤族化合物，优选地，卤族化合物为卤族金属盐，更优选地，卤族金属盐选自CuY2，CoY2，ZnY2、FeY3或AgY中的一种或多种，其中，Y为卤族元素。
[0007]在一些实施例中，刻蚀剂为气相或固相；和/或，卤族单质、卤族化合物中的卤族元素为碘。
[0008]在一些实施例中，MAX相材料中，M选自过渡金属元素中的一种或多种，A为选自VIIB、VIII、IB、IIB、IIIA、IVA、VA或VIA族元素中的至少一种，X为碳、氮或硼元素中至少一种；优选地，MAX相材料选自：Ti2AlC、Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3ZnC2、Ti3(Al
x
Cu1‑
x
)C2(0≤x≤1)、Nb2AlC、NbTiAlC、Nb4AlC3、V2AlC、V4AlC3、Ta2AlC、Ta4AlC3、Mo2Ga2C、Mo2TiAlC2或Cr2TiAlC2中的一种或多种。
[0009]在一些实施例中，MAX相材料与刻蚀剂发生反应的温度介于600℃至3000℃，优选
地，介于为750℃至1500℃；和/或，反应的时间介于1min～10h；优选地，介于1min～120min。
[0010]在一些实施例中，碘单质为固态，加热包括两步：
[0011]第一步，加热温度介于45℃至200℃，以使固态的碘单质转变为气态，优选地，为80℃至160℃；
[0012]第二步，加热温度介于600℃至3000℃，以使气态的碘单质与MAX相材料发生反应，优选地，为750℃至1500℃。
[0013]在一些实施例中，还包括：二维过渡金属化合物与第一反应物在第一温度下反应，第一反应物，包括：IVA、VA或VIA的单质或氢化物，得到含有IVA、VA或VIA元素的官能团的二维过渡金属化合物，优选地，第一反应温度介于100℃至600℃之间；和/或，二维过渡金属化合物与第二反应物反应在第二温度下反应，第二反应物，包括：IVA、VA或VIA的单质或氢化物，得到二维过渡金属化合物MX，其中，X含有IVA、VA或VIA的元素，优选地，第二温度介于600℃至1500℃之间。
[0014]本专利技术还包括一种上述的制备方法得到的二维过渡金属化合物，其特征在于，二维过渡金属化合物中原子数M:X的比值介于0至(n+1)/n之间，其中n＝1、2、3、4、5或6；和/或，二维过渡金属化合物的片层厚度介于0.5nm至100nm；更优选地，介于0.5nm至10nm；和/或，二维过渡金属化合物片层表面具有缺陷；和/或，二维过渡金属化合物具有手风琴状的形貌。
[0015]本专利技术还包括上述的二维过渡金属化合物，在催化、传感器、电子器件、超级电容器、电池、电磁屏蔽、吸波材料、耐腐蚀材料或超导材料的应用。
[0016]本专利技术还包括一种在电子器件，上述本专利技术的二维过渡金属化合物，本专利技术的电子器件用于催化(比如电催化制氢、电催化二氧化碳还原和单催化氮气还原)或储能领域(比如电池)。
[0017]本专利技术的有益技术效果在于：
[0018]1)本专利技术的制备方法以MAX相材料为原料，通过刻蚀剂不仅刻蚀掉A成分，还能够另外刻蚀部分的M成分，制备得到的二维过渡金属化合物材料具有非常规的M和X原子比例，其中，二维过渡金属化合物中原子数M:X的比值介于0至(n+1)/n之间，其中n＝1、2、3、4、5或6；
[0019]2)本专利技术的制备方法中，由于刻蚀剂能够刻蚀二维过渡金属化合物片层表面的部分M成分，制备得到的二维过渡金属化合物材料的片层表面富有缺陷，该些缺陷能够增大M成分或X成分的原子暴露，赋予材料新的性能；
[0020]3)本专利技术的制备方法发现M成分的刻蚀速度与元素的种类相关，因此，通过调控刻蚀条件，能够制备得到M成分中元素种类及含量可调的新型二维过渡金属化合物材料。
附图说明
[0021]图1本专利技术的MAX相材料刻蚀制备得到富缺陷的二维MXene材料的示意图；
[0022]图2本专利技术实施例1中Ti和Al元素相对质量百分比与刻蚀时间的关系图；
[0023]图3本专利技术实施例1中产物Ti
1.62
C2的XRD测试结果；
[0024]图4本专利技术实施例1中产物Ti
1.62
C2的SEM照片；
[0025]图5本专利技术实施例1中产物Ti
1.62
C2的HRTEM照片；
[0026]图6本专利技术实施例1中产物Ti
1.62
C2的HRTEM照片和衍射图；
[0027]图7本专利技术实施例1中产物Ti
1.62
C2的EPR测试谱图；
[0028]图8本专利技术实施例2中Cr、Ti和Al元素相对质量百分比与刻蚀时间的关系图；
[0029]图9本专利技术实施例2中产物Ti
0.67
C的XRD测试结果；
[0030]图10本专利技术实施例2中产物Ti
0.67
C的SEM照片；
[0031]图11本专利技术实施例3中产物Ti
x
C2的SEM照片(a)和TEM照片(b)；
[0032]图12本专利技术实施例3中产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维过渡金属化合物的制备方法，其特征在于，步骤包括：将MAX相材料与刻蚀剂发生反应，所述刻蚀剂刻蚀A并且还刻蚀部分M，得到富缺陷的二维过渡金属化合物MX。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀剂为卤族单质或卤族化合物；优选地，所述卤族化合物为卤族金属盐；更优选地，所述卤族金属盐选自CuY2，CoY2，ZnY2、FeY3或AgY中的一种或多种，其中，Y为卤族元素。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀剂为气相或固相；和/或，所述卤族单质、所述卤族化合物中的卤族元素为碘。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述MAX相材料中，M选自过渡金属元素中的一种或多种，A为选自VIIB、VIII、IB、IIB、IIIA、IVA、VA或VIA族元素中的至少一种，X为碳、氮或硼元素中至少一种；优选地，所述MAX相材料选自：Ti2AlC、Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3ZnC2、Ti3(Al
x
Cu1‑
x
)C2(0≤x≤1)、Nb2AlC、TiNbAlC、Nb4AlC3、V2AlC、V4AlC3、Ta2AlC、Ta4AlC3、Mo2Ga2C、Mo2TiAlC2或Cr2TiAlC2中的一种或多种。5.如权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述MAX相材料与所述刻蚀剂发生反应的温度介于600℃至3000℃；优选地，介于750℃至1500℃；和/或，反应的时间介于1min～10h；优选地，介于1min～120min。6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碘单质为固态，加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，杜志国，赵麒，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：