一种终端基团可控的MXenes材料及制备方法技术

本申请涉及MXenes二维材料的制备方法技术领域，更具体地说，它涉及一种利用等离子体刻蚀和修饰技术制备终端基团可控的MXenes材料的方法。可控终端基团MXenes材料的化学组成表达式为：M

【技术实现步骤摘要】
一种终端基团可控的MXenes材料及制备方法


[0001]本申请涉及MXenes二维材料的制备方法
，更具体地说，它涉及一种利用等离子体刻蚀和修饰技术制备终端基团可控的MXenes材料的方法。

技术介绍

[0002]当前二维材料由于具有独特的二维层状结构，展现出离子传输路径短、比表面积大、力学性能优良等优点，这与储能器件对电极材料的要求十分契合，因而在储能领域被寄予厚望。其中，新型二维过渡金属碳化物或氮化物(MXenes)具有亲水表面、赝电容特性以及高导电性等优点，被广泛应用于吸波、储能、催化等领域。目前对于MXenes的研究主要集中于MXenes复合结构调控及其在能源领域的应用，而对MXenes的性质起重要作用的刻蚀方法及其终端基团调控并没有足够的重视。碳化钛Ti3C2T
x MXenes在2011年首先被合成，也是被广泛研究的一类MXenes。目前传统MXenes制备采用的湿化学法(液
‑
固反应)和熔盐法(准液
‑
固反应)存在安全性低、终端基团可控性差、反应周期长和刻蚀后续工序复杂(需后续酸/碱/水洗工序)等缺点，严重阻碍了MXenes的大规模应用。因此，设计出一种绿色高效，终端基团可控的MXenes制备方法成为这一领域研究发展突破的关键。
[0003]当前MXenes二维材料制备方法存在的主要缺点是：第一，制备单层纳米薄片的效率与产率较低；第二，纯相MXenes制备难度高，易掺杂杂原子终端基团，难以调控种类与比例；第三，制备工艺复杂，一般需后续酸/碱/水洗工序，对环境不友好；第四，反应过程较为危险，成本较高，不利于大规模生产。

技术实现思路

[0004]本公开提供了一种终端基团可控的MXenes材料的制备方法，纯度与产率都大大提高，并且可精准调控表面终端基团。
[0005]第一方面，本公开提供一种终端基团可控的MXenes材料，可控终端基团MXenes材料的化学组成表达式为：M
n+1
X
n
T
x
，其中M代表前过渡金属元素(Sc、Ti、V、Nb、Mo等)，X代表C或/和N元素，T
x
代表Cl/Br/I/N/S/P/Si等终端基团基团中的一种或多种，所述MXenes材料包括Ti3C2T
x
、Ti2CT
x
、Ti3CNT
x
、Ti2NT
x
、Ti4N3T
x
、Ti2(CN)T
x
、(Ti，V)2CT
x
、(Ti，Nb)2CT
x
、(Ti，Nb)4C3T
x
、(Ti,V,Zr,Nb,Ta)2CT
x
、TiVNbMoC3T
x
、TiVCrMoC3T
x
、Mo3C2T
x
、Mo2CT
x
、Mo2NT
x
、Mo
1.33
CT
x
、(Mo,V)4C3T
x
、(Mo2Sc)C2T
x
、(Mo2Ti)C2T
x
、Mo2Ti2C3T
x
、(Mo4V)C4T
x
、Mo
1.33
Y
0.66
CT
x
、V2CT
x
、V2NT
x
、V4C3T
x
、Nb2CT
x
、Nb
1.33
CT
x
、Nb4C3T
x
、(Nb,Zr)4C3T
x
、Cr2CT
x
、(Cr2V)C2T
x
、VCrCT
x
、(Cr2Ti)C2T
x
、Ta4C3T
x
、Ta2CT
x
、Ti4N3T
x
、Ti2NT
x
、(Ta,Ti)3C2T
x
、W
1.33
CT
x
、Zr3C2T
x
、Zr2CT
x
、Hf3C2T
x
、Hf2CT
x
、Hf2NT
x
。
[0006]所制备的单片层MXenes与传统的刻蚀方法相比，纯度与产率都大大提高，并且可精准调控表面终端基团(种类和比例)。制备过程操作简单，无需后续酸/碱/水洗工序；制备过程中避免了含氧基团的吸附干扰，采用无介质刻蚀反应，刻蚀过程无其它官能团引入；所制备的MXenes厚度与尺度大小均匀，刻蚀效率高，并且制备出的合成时间短，反应在十几分
钟内完成。
[0007]第二方面，本公开提供一种终端基团可控MXenes的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：按照化学计量比称取100g原料粉末，在室温下以300
‑
600rpm min
‑1转速下球磨4
‑
6h，结束后样品转移至氧化铝坩埚中，然后放入管式炉内，在氩气环境中，以5℃min
‑1的速率升温至指定的反应温度为1300
‑
1600℃，反应5
‑
10h后，随炉冷却至室温，得到的反应产物即为MAX相粉末；
[0009]S2：取1
‑
50gMAX相粉末置于等离子处理机中，等离子体处理之前需预先通入高纯度Ar清洗3
‑
4次；气路切换到刻蚀气体进行等离子体处理，得到Cl/Br/I/Si等卤素终端的MXenes材料，具体的等离子体处理工艺参数如下：输出功率100
‑
300W，反应温度为10
‑
60℃，反应时间为5
‑
30min，转速为50
‑
200rpmmin
‑1，气体流速为50
‑
200mL min
‑1；
[0010]S3：取1
‑
50g卤素终端MXenes粉末置于等离子处理机中，将输入的气体换成NH3/H2S/PH3/SiH4等一种或者多种进行等离子体取代反应，得到T
x
＝N/S/P/Si等终端MXenes材料，具体的等离子体处理工艺参数如下：输出功率100
‑
300W，反应温度为10
‑
60℃，反应时间为5
‑
30min，转速为50
‑
200rpm min
‑1，气体流速为50
‑
200mL min
‑1。
[0011]本申请制备总过程反应条件温和，反应安全性高，极大推动了MXenes的大规模制备。
[0012]优选的，所述S1中所述MAX的种类包括：Ti3AlC2、T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种终端基团可控的MXenes材料，其特征在于，所述可控终端基团MXenes材料的化学组成表达式为：M
n+1
X
n
T
x
，其中M代表前过渡金属元素(Sc、Ti、V、Nb、Mo等)，X代表C或/和N元素，T
x
代表Cl/Br/I/N/S/P/Si等终端基团基团中的一种或多种，所述MXenes材料包括Ti3C2T
x
、Ti2CT
x
、Ti3CNT
x
、Ti2NT
x
、Ti4N3T
x
、Ti2(CN)T
x
、(Ti，V)2CT
x
、(Ti，Nb)2CT
x
、(Ti，Nb)4C3T
x
、(Ti,V,Zr,Nb,Ta)2CT
x
、TiVNbMoC3T
x
、TiVCrMoC3T
x
、Mo3C2T
x
、Mo2CT
x
、Mo2NT
x
、Mo
1.33
CT
x
、(Mo,V)4C3T
x
、(Mo2Sc)C2T
x
、(Mo2Ti)C2T
x
、Mo2Ti2C3T
x
、(Mo4V)C4T
x
、Mo
1.33
Y
0.66
CT
x
、V2CT
x
、V2NT
x
、V4C3T
x
、Nb2CT
x
、Nb
1.33
CT
x
、Nb4C3T
x
、(Nb,Zr)4C3T
x
、Cr2CT
x
、(Cr2V)C2T
x
、VCrCT
x
、(Cr2Ti)C2T
x
、Ta4C3T
x
、Ta2CT
x
、Ti4N3T
x
、Ti2NT
x
、(Ta,Ti)3C2T
x
、W
1.33
CT
x
、Zr3C2T
x
、Zr2CT
x
、Hf3C2T
x
、Hf2CT
x
、Hf2NT
x
。2.根据权利要求1所述终端基团可控MXenes的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：按照化学计量比称取100g原料粉末，在室温下以300
‑
600rpmmin
‑1转速下球磨4
‑
6h，结束后样品转移至氧化铝坩埚中，然后放入管式炉内，在氩气环境中，以5℃min
‑1的速率升温至指定的反应温度为1300
‑
1600℃，反应5
‑
10h后，随炉冷却至室温，得到的反应产物即为MAX相粉末；S2：取1
‑
50gMAX相粉末置于等离子处理机中，等离子体处理之前需预先通入高纯度Ar清洗3
‑
4次；气路切换到刻蚀气体进行等离子体处理，得到Cl/Br/I/Si等卤素终端的MXenes材料，具体的等离子体处理工艺参数如下：输出功率100
‑
300W，反应温度为10
‑
60℃，反应时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹国栋，万涵宸，彭秋明，张柏文，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：