一種薄片二維納米碳化鈦納米材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種薄片二維納米碳化鈦(MXene)納米材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Ti3AlC2是一種特殊的金屬與陶瓷之間的復(fù)合物，同時(shí)兼具有金屬和陶瓷的優(yōu)良性能。既具有金屬性能，在常溫下，有很好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，有較低的維氏顯微硬度和較高的彈性模量和剪切模量，可以進(jìn)行機(jī)械加工，并在較高溫度下具有塑性；同時(shí)又具有陶瓷的性能，有較高的屈服強(qiáng)度，高熔點(diǎn)，高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性。推陳出新，通過對三元層狀打#1(:2進(jìn)行腐蝕研宄，從而形成典型的二維晶體MXene-Ti 3C2納米材料。
[0003]二維層狀納米碳化物MXene-Ti3C2是一種類石墨稀結(jié)構(gòu)的材料，超薄二維納米片由于其獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)、較小的顆粒尺寸、較大的表面體積比和原子級的層片厚度而具有超強(qiáng)的催化性能、光伏性能和電化學(xué)性能，在功能陶瓷、光催化、鋰離子電池、太陽能電池、氣體傳感器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]Michael Naguib等人首先制備出了 MXene-Ti3C2二維納米材料，并對其進(jìn)行了詳細(xì)的表征，也對其他MAX相對應(yīng)的MXene進(jìn)行了研宄。Olha Mashtalir等人在前面工作的基礎(chǔ)上，利用有機(jī)物對MXene-Ti3C2進(jìn)行物理化學(xué)處理，成功地將MXene-Ti 3C2多層結(jié)構(gòu)剝離成薄片單層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研宄發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)于未完全剝離的MXene-Ti3C2,比如比表面積，電化學(xué)性能，因此如何得到較為完全的MXene-Ti3C2薄片結(jié)構(gòu)，是今后研宄的發(fā)展趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種薄片二維納米碳化鈦(MXene)納米材料的制備方法，將11#1(:2在HF酸中進(jìn)行化學(xué)刻蝕，使Al被選擇性刻蝕掉，形成風(fēng)琴狀類石墨烯的二維層狀材料MXene-Ti3C2納米材料，然而為了更進(jìn)一步擴(kuò)展材料的微觀結(jié)構(gòu)，繼續(xù)用氫氟酸腐蝕處理，長時(shí)間腐蝕后，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄，進(jìn)而在無水乙醇中用超聲處理，剝離片層，得到結(jié)構(gòu)完整的薄片結(jié)構(gòu)的MXene-Ti3C2，薄片狀的MXene-Ti3C2比風(fēng)琴狀的比表面積更大，更接近于石墨烯結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于污水池里，離子電池，超級電容器，生物傳感器等領(lǐng)域。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]一種薄片二維納米碳化鈦納米材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)將三元層狀Ti3AlC2陶瓷粉體高能球磨lh-4h，轉(zhuǎn)速400r/min，球料質(zhì)量比10:1，細(xì)化粉體后40°C -60°c烘干，得到粒徑在8 μ??-75 μπι的11#1(:2陶瓷粉體；
[0009](2)將步驟(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉體取2g?1g浸沒在50mL?200mL35wt%?45wt%氫氟酸溶液中反應(yīng)120h?192h ;密閉保護(hù)磁力攪拌；用去離子水離心清洗腐蝕產(chǎn)物，直至離心上清液pH約為5?6 ;用無水乙醇清洗2?4次；得到過腐蝕處理，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄的MXene-Ti3C2納米材料。
[0010](3)將步驟(3)中所得過腐蝕的MXene-Ti3C2納米材料，繼續(xù)浸沒于無水乙醇中進(jìn)行超聲處理，工作頻率為40kHz，超聲時(shí)間為0.5h?2h ;離心固液分離，室溫烘干，即得到類石墨稀的薄片狀MXene-Ti3C2納米材料。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)勢在于利用腐蝕反應(yīng)，對MXene-Ti3C2粉體進(jìn)行過腐蝕處理，蝕刻去除Al后，繼續(xù)利用氫氟酸腐蝕暴露的Ti表面和表面官能團(tuán)，使片層間結(jié)合力減小，片層變薄，提高了比表面積，此時(shí)片層表面能很高，去除酸后，利用無水乙醇清洗保護(hù)，防止氧化。進(jìn)一步腐蝕會(huì)破壞片層結(jié)構(gòu)，變成顆粒狀，因此，腐蝕處理一定程度時(shí)間后，片層間結(jié)合力減小，而片層結(jié)構(gòu)得到保持，這樣的結(jié)構(gòu)未能完全剝離成薄片，需利用超聲處理，物理剝離，成功得到薄片狀的類石墨稀MXene-Ti3C2納米材料。薄片狀的MXene-Ti 3C2比風(fēng)琴狀的比表面積更大，表面終端的羥基官能團(tuán)更多，更接近于氧化石墨烯結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于離子電池，超級電容器，生物傳感器，納米吸附劑等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0012]圖1為Ti3AlC2粉體腐蝕處理前及過腐蝕處理后的XRD圖譜。
[0013]圖2 (a)為Ti3AlC2粉體腐蝕處理前的SEM圖，圖2 (b)為Ti #1(:2粉體腐蝕處理后的SEM圖，圖2(c)為11#1(:2粉體超聲處理后的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下通過具體實(shí)施方案進(jìn)一步描述本發(fā)明，本發(fā)明也可通過其它的不脫離本發(fā)明技術(shù)特征的方案來描述，因此所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或等同本發(fā)明范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
[0015]實(shí)施例一
[0016]本實(shí)施例包括以下步驟:
[0017](I)采用真空燒結(jié)的方法制備出高純度的三元層狀11#1(:2陶瓷粉體，然后高能球磨粉體4h，轉(zhuǎn)速400r/min，球料質(zhì)量比10:1，細(xì)化粉體后60°C烘干，得到11#1(:2陶瓷粉體；見圖1和圖2(a)，圖1中XRD圖譜說明了所得粉體的物相是Ti3AlC2晶體，且雜質(zhì)含量極少，圖2(a)中SEM圖顯示了 Ti3AlC-aB體的微觀形貌，可以看出其晶粒尺寸大小約為8 μπι，及其明顯的層狀結(jié)構(gòu)；
[0018](2)將步驟(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉體取5g浸沒在10mL 40wt%氫氟酸溶液中反應(yīng)168h ;密閉保護(hù)磁力攪拌；用去離子水離心清洗腐蝕產(chǎn)物，直至離心上清液pH約為5?6 ;用無水乙醇清洗3次；得到過腐蝕處理，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄的MXene-Ti3C2納米材料。見圖1，其中XRD圖譜表明了 Ti3AlC2衍射峰的變化，與理論計(jì)算的XRD衍射圖譜對比，成功地得到MXene-Ti3C2粉體物相。見圖2 (b)，其中SEM圖顯示了 MXene-Ti 3C2的微觀形貌，可以看出其片層厚度約為50nm，層片間結(jié)合力減弱，片層很薄，部分片層已經(jīng)剝離，施加外力極易分離，是典型的二維層狀納米材料；
[0019](3)將步驟(3)中所得過腐蝕的MXene-Ti3C2納米材料，繼續(xù)浸沒于無水乙醇中進(jìn)行超聲處理，工作頻率為40kHz，超聲時(shí)間為Ih ;離心固液分離，室溫烘干，即得到類石墨烯的薄片狀MXene-Ti3C2納米材料。見圖2 (c)，其中SEM圖顯示了 MXene-Ti 3C2的微觀形貌，超聲剝離后的薄片狀類石墨烯，是典型的二維層狀納米材料；比對圖2(b)，可以看出比表面積變大，更接近氧化石墨烯結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)更有利于應(yīng)用在離子電池，超級電容器，生物傳感器，納米吸附劑等領(lǐng)域。
[0020]實(shí)施例二
[0021]本實(shí)施例包括以下步驟:
[0022](I)采用真空燒結(jié)的方法制備出高純度的三元層狀11#1(:2陶瓷粉體，然后高能球磨粉體3h，轉(zhuǎn)速400r/min，球料質(zhì)量比10:1，細(xì)化粉體后40°C烘干，得到11#1(:2陶瓷粉體；
[0023](2)將步驟(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉體取2g浸沒在50mL 35被％氫氟酸溶液中反應(yīng)120h ;密閉保護(hù)磁力攪拌；用去離子水離心清洗腐蝕產(chǎn)物，直至離心上清液pH約為5?6 ;用無水乙醇清洗2次；得到過腐蝕處理，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄的MXene-Ti3C2納米材料。
[0024](3)將步驟(3)中所得過腐蝕的MXene-Ti3C2納米材料，繼續(xù)浸沒于無水乙醇中進(jìn)行超聲處理，工作頻率為40kHz，超聲時(shí)間為2h ;離心固液分離，室溫烘干，即得到類石墨烯的薄片狀MXene-Ti3C2納米材料。
[0025]實(shí)施例三
[0026]本實(shí)施例包括以下步驟:
[0027](I)采用真空燒結(jié)的方法制備出高純度的三元層狀11#1(:2陶瓷粉體，然后高能球磨粉體2h，轉(zhuǎn)速400r/min，球料質(zhì)量比10:1，細(xì)化粉體后40°C烘干，得到11#1(:2陶瓷粉體；
[0028](2)將步驟(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉體取4g浸沒在80mL 45被％氫氟酸溶液中反應(yīng)144h ;密閉保護(hù)磁力攪拌；用去離子水離心清洗腐蝕產(chǎn)物，直至離心上清液pH約為5?6 ;用無水乙醇清洗4次；得到過腐蝕處理，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄的MXene-Ti3C2納米材料。
[0029](3)將步驟(3)中所得過腐蝕的MXene-Ti3C2納米材料，繼續(xù)浸沒于無水乙醇中進(jìn)行超聲處理，工作頻率為40kHz，超聲時(shí)間為Ih ;離心固液分離，室溫烘干，即得到類石墨烯的薄片狀MXene-Ti3C2納米材料。
[0030]實(shí)施例四
[0031]本實(shí)施例包括以下步驟:
[0032](I)采用真空燒結(jié)的方法制備出高純度的三元層狀11#1(:2陶瓷粉體，然后高能球磨粉體lh，轉(zhuǎn)速400r/min，球料質(zhì)量比10:1，細(xì)化粉體后40°C烘干，得到Ti3AlC^瓷粉體；
[0033](2)將步驟(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉體取1g浸沒在200mL 45wt%氫氟酸溶液中反應(yīng)192h ;密閉保護(hù)磁力攪拌；用去離子水離心清洗腐蝕產(chǎn)物，直至離心上清液pH約為5?6 ;用無水乙醇清洗4次；得到過腐蝕處理，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄的MXene-Ti3C2納米材料。
[0034](3)將步驟(3)中所得過腐蝕的MXene-Ti3C2納米材料，繼續(xù)浸沒于無水乙醇中進(jìn)行超聲處理，工作頻率為40kHz，超聲時(shí)間為0.5h ;離心固液分離，室溫烘干，即得到類石墨稀的薄片狀MXene-Ti3C2納米材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種薄片二維納米碳化鈦納米材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將三元層狀Ti3AlC2陶瓷粉體高能球磨lh-4h，轉(zhuǎn)速400r/min，球料質(zhì)量比10:1，細(xì)化粉體后40°C _60°C烘干，得到粒徑在8 μπι-75 μπι的11#1(:2陶瓷粉體； (2)將步驟(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉體取2g?1g浸沒在50mL?200mL35wt%?45wt%氫氟酸溶液中反應(yīng)120h?192h ;密閉保護(hù)磁力攪拌；用去離子水離心清洗腐蝕產(chǎn)物，直至離心上清液pH約為5?6 ;用無水乙醇清洗2?4次；得到過腐蝕處理，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄的MXene-Ti3C2納米材料； (3)將步驟(3)中所得過腐蝕的MXene-Ti3C2納米材料，繼續(xù)浸沒于無水乙醇中進(jìn)行超聲處理，工作頻率為40kHz，超聲時(shí)間為0.5h?2h ;離心固液分離，室溫烘干，即得到類石墨稀的薄片狀MXene-Ti3C2納米材料。
【專利摘要】一種薄片二維納米碳化鈦納米材料的制備方法，首先制備合成出高純度的三元層狀Ti3AlC2陶瓷塊體，高能球磨成細(xì)化粉體；將Ti3AlC2粉體浸沒在氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)刻蝕，使Al被選擇性刻蝕掉，形成風(fēng)琴狀類石墨烯的二維層狀材料MXene-Ti3C2納米材料，然而為了更進(jìn)一步擴(kuò)展材料的微觀結(jié)構(gòu)，繼續(xù)用氫氟酸腐蝕處理，長時(shí)間腐蝕后，層片間結(jié)合力減弱，片層變薄，進(jìn)而在無水乙醇環(huán)境中用超聲處理，剝離片層，得到結(jié)構(gòu)完整的薄片結(jié)構(gòu)的MXene-Ti3C2，其比表面積比風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)更大，更接近于石墨烯結(jié)構(gòu)，薄片均勻，有一定力學(xué)性能等特點(diǎn)可以應(yīng)用于廢水處理、離子電池、超級電容器、生物傳感器等領(lǐng)域。本發(fā)明具有制備過程簡單，工藝可控，成本低。
【IPC分類】C01B31-30, B82Y30-00
【公開號(hào)】CN104528721
【申請?zhí)枴緾N201410814100
【發(fā)明人】楊晨輝, 王芬, 湯祎, 王鑫, 王子婧, 朱劍鋒, 艾桃桃
【申請人】陜西科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月23日