一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法，属于层状材料制备技术领域。本发明专利技术解决了现有手风琴状MXenes内部的层片交联问题。本发明专利技术首先采用氢氟酸对前驱体MAX进行第一次刻蚀，去除MAX中的绝大部分M

【技术实现步骤摘要】
一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法


[0001]本专利技术涉及一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法，属于层状材料的制备


技术介绍

[0002]MXenes是一类二维过渡金属碳化物或氮化物的统称，化学式为M
n+1
X
n
T
x
，其中M代表前过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb等)，X为碳元素或氮元素，T代表
‑
OH、＝O、
‑
F等附着在二维材料表面的官能团，目前MXenes的制备方法主要有两类：通过前驱物MAX相刻蚀合成和直接合成。
[0003]通过MAX相刻蚀得到MXenes是目前较为常用的方法。刻蚀制备MXenes的基本原理是前驱物MAX中的X原子与M原子间的键合为共价键，处于中间层的A元素原子与M原子间的键合为金属键，相对较弱，利用A元素原子反应活性高、键能低的特点，可用液相化学刻蚀的方法将A元素原子选择性地刻蚀掉，从而得到只有几个原子厚度的MXenes二维纳米晶体。
[0004]目前关于MXenes刻蚀制备的文献报道很多，常用的刻蚀剂有氢氟酸、盐酸+氟盐溶液、氟化氢铵溶液以及氟化氢铵+硫酸溶液等。有学者使用50％的氢氟酸刻蚀Mo2AlC 34h后获得高纯度的Mo2Cenes，但MoCenes的厚度较大，层数在几十层左右，层片之间的交联也较为复杂，整体结构仍是三维结构材料，难以充分利用二维晶体结构独特的优势；根据氢氟酸刻蚀反应原理，2014年首次成功使用盐酸+氟化锂刻蚀Ti3AlC2获得Ti3C2TX，成为一种替代高浓度氢氟酸刻蚀的更安全的制备方法。这类衍生出来的盐酸和氟盐的刻蚀方法反应温和，引入阳离子后产物的层间距增大，但刻蚀程度比之氢氟酸刻蚀有所下降，所以获得MXenes层厚很大，内含大量未被刻蚀除去的M
‑
A金属键，而且会生成冰晶石这类副反应产物，提纯MXenes的工艺复杂。后来研究发现二氟化盐溶液，如NH4HF2、NaHF2和KHF2等也可以刻蚀制备MXenes，二维片状结构比盐酸和氟盐刻蚀产物更加完整，并且大量阳离子的嵌入而具有更宽的层间距，但产物仍然是以手风琴状结构的形式存在的。使用插层剂插层处理后经高速搅拌或超声震荡可以破坏手风琴状结构，使MXenes脱落，从而获得分散的MXenes，但层片交联导致MXenes脱落的难度增大，薄层分散的MXenes产率不高，而过度延长搅拌或超声时长则会损坏纳米材料的二维结构。因此，提供一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法来解决手风琴状MXenes内部的层片交联问题，将MXenes从手风琴状结构中分离出来，制备大量薄层分散的Mxenes，对于MXenes的研究和应用是十分必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有手风琴状MXenes内部的层片交联问题，提供一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤1，将前驱体MAX加入到氢氟酸溶液中，水浴加热刻蚀处理，获得的手风琴状
Mxenes；
[0009]步骤2，将步骤1获得的手风琴状Mxenes进行高速离心处理，洗涤沉淀至pH值为6以上，然后进行低温干燥处理，获得Mxenes粉末，
[0010]步骤3，将步骤2获得的Mxenes粉末置于二次刻蚀溶液中进行常温刻蚀处理，刻蚀过程中进行低速搅拌，然后离心、洗涤沉淀，收集沉淀物并进行低温干燥处理，获得二次刻蚀Mxenes；
[0011]步骤4，将步骤3获得的二次刻蚀MXenes加入到插层剂中，低速搅拌，然后超声震荡处理，离心洗涤，收集沉淀；
[0012]步骤5，使用去离子水稀释步骤4获得的沉淀，摇匀后静置30min，吸取上层介稳状态的胶液，即为薄层分散的MXenes溶液，干燥处理后获得薄层分散MXenes纳米片。
[0013]进一步限定，步骤1中氢氟酸溶液的质量浓度为35％～50％。
[0014]进一步限定，步骤1中水浴加热刻蚀处理时间为20h，温度为40～60℃。
[0015]进一步限定，步骤2中高速离心工艺参数为：离心速率为10000～12000r/min，离心时间为10～30min。
[0016]进一步限定，步骤3中二次刻蚀溶液为加入LiF或/和KF的氢氟酸溶液，其中加入LiF或/和KF的质量浓度为5～10％，氢氟酸溶液的质量浓度为35％～50％。
[0017]进一步限定，步骤4的插层剂为二甲基亚砜、尿素水溶液或LiCl水溶液，所述的尿素水溶液的质量浓度为50～70％，所述的LiCl水溶液的质量浓度为15～20％。
[0018]进一步限定，步骤4中低速搅拌处理时间为24h，超声震荡处理时间为5～10min。
[0019]进一步限定，步骤2、步骤3和步骤5的低温干燥处理温度条件均30℃以下真空干燥或冷冻干燥。
[0020]进一步限定，步骤3和步骤4的低速搅拌速率为50～70r/min。
[0021]进一步限定，步骤3中洗涤沉淀至pH值为6以上。
[0022]应用上述方法制备的薄层分散二维MXenes材料为Ti4C3、Ti3C2、Ti2C、Mo2C、V3C2、V2C、Hf3C2、Nb3C2、Nb2C、Cr3C2、Ta2C、Ti4N3、V2N中一种或两种以上任意组合。
[0023]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术首先采用氢氟酸对前驱体MAX进行第一次刻蚀，去除MAX中的绝大部分M
‑
A金属键，获得了较为完整的经典手风琴状，然后采用刻蚀液对手风琴状Mxenes进行二次刻蚀，使刻蚀液中HF继续与手风琴状MXenes中残留的M
‑
A键发生反应，并在搅拌作用下使刻蚀体系处于流动状态，将反应生成物从反应部位向外扩散，从而暴露出更多的刻蚀反应活性位点。并且二次刻蚀剂的加入既可以补充被消耗的F
‑
，又可以充当插层剂，增大纳米片的层间距，为后续步骤中的插层和分散做铺垫。此外，本专利技术在二次刻蚀中加入氟盐而在第一次刻蚀中不加入，这可以有效避免氟盐离子与第一次刻蚀中产生的大量离子反应生成副反应产物杂质。
[0024]采用本专利技术提供的制备方法，经过二次刻蚀后的手风琴状MXenes层片交联程度大大下降，厚度更薄，层间距更大，并且保证了结构的完整性。且使的经过插层处理后的MXenes层间距进一步增大，在短时间的超声震荡作用下从手风琴状结构上脱落，获得薄层分离的MXenes纳米片，避免了长时间超声对MXenes的破坏。
附图说明
[0025]图1为实施例1经过一次刻蚀处理后获得的手风琴状Ti3C2enes的微观图片；
[0026]图2为实施例1经过二次刻蚀处理后获得的二次刻蚀Mxenes的微观图片；
[0027]图3为实施例1薄层分散Ti3C2enes溶液实物图；
[0028]图4为实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，将前驱体MAX加入到氢氟酸溶液中，水浴加热刻蚀处理，获得的手风琴状Mxenes；步骤2，将步骤1获得的手风琴状Mxenes进行高速离心处理，洗涤沉淀至pH值为6以上，然后进行低温干燥处理，获得Mxenes粉末，步骤3，将步骤2获得的Mxenes粉末置于二次刻蚀溶液中进行常温刻蚀处理，刻蚀过程中进行低速搅拌，然后离心、洗涤沉淀，收集沉淀物并进行低温干燥处理，获得二次刻蚀Mxenes；步骤4，将步骤3获得的二次刻蚀MXenes加入到插层剂中，低速搅拌，然后超声震荡处理，离心洗涤，收集沉淀；步骤5，使用去离子水稀释步骤4获得的沉淀，摇匀后静置30min，吸取上层介稳状态的胶液，即为薄层分散的MXenes溶液，干燥处理后获得薄层分散MXenes纳米片。2.根据权利要求1所述的一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法，其特征在于，所述的步骤1中氢氟酸溶液的质量浓度为35％～50％。3.根据权利要求1所述的一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法，其特征在于，所述的步骤1中水浴加热刻蚀处理时间为20h，温度为40～60℃。4.根据权利要求1所述的一种制备薄层分散二维MXenes材料的方法，其特征在于，所述的步骤2中高速离心工艺参数为：离心速率为10000～12000r/min，离心时间为10～3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张墅野，何鹏，李卓然，梁稀茗，梁凯洺，马鑫阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：