阅读说明：本技术 基于三维多孔过渡金属碳化物Ti3C2MXene复合纳米结构及其通用制备方法 (Based on three-dimensional porous transition metal carbide Ti3C2MXene composite nano structure and general preparation method thereof ) 是由 王治宇 修陆洋 邱介山 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：一种基于三维多孔过渡金属碳化物Ti_3C_2 MXene复合纳米结构及其通用制备方法,属于纳米材料领域。该三维复合结构由三维多孔MXene负载无机纳米结构组成,具有蜂窝状分级多孔结构,将二维的过渡金属碳化物和金属有机骨架化合物前驱体,在惰性或反应性气氛下经高温热解或化学反应制备尺寸可控的复合纳米结构。本发明抑制了MXene自身的堆叠,增大了其活性表面积、孔隙率与离子透过性,使其表界面得到高效利用,同时金属有机骨架化合物的引入实现了三维多孔MXene与无机纳米材料的均匀稳定复合,解决了困扰无机纳米材料性能发挥与应用的基础性难题,在催化、能源、光电、空间技术、军工等领域具有广泛的应用前景。(Three-dimensional porous transition metal carbide-based Ti 3 C 2 MXene composite nano structure and its general preparation method, belonging to the field of nano material. The three-dimensional composite structure is composed of a three-dimensional porous MXene loaded inorganic nano structure and has a honeycomb hierarchical porous structure, and the two-dimensional transition metal carbide and a metal organic framework compound precursor are subjected to high-temperature pyrolysis or chemical reaction in an inert or reactive atmosphere to prepare the composite nano structure with controllable size. The invention inhibits the self-stacking of MXene, increases the active surface area, porosity and ion permeability of MXene, efficiently utilizes the surface interface of MXene and simultaneously realizes the metal organic reactionThe introduction of the framework compound realizes the uniform and stable compounding of the three-dimensional porous MXene and the inorganic nano material, solves the fundamental problems which disturb the performance exertion and the application of the inorganic nano material, and has wide application prospect in the fields of catalysis, energy, photoelectricity, space technology, military industry and the like.)

基于三维多孔过渡金属碳化物Ti3C2MXene复合纳米结构及其 通用制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种基于三维多孔过渡金属碳化物Ti₃C₂ MXene复合纳米结构及其通用制备方法。

背景技术

纳米材料由于独特的尺寸效应，有着远优于宏观材料的物理化学性质，使其在众多领域受到广泛关注。功能纳米材料优异的理化性能主要来源于其纳米组成、晶相结构和尺寸效应，对其微观结构进行精细调控，实现纳米尺度上组成结构的可控设计已成为近年来纳米材料科学研究的热点。

一方面纳米材料由于尺寸效应带来了优异的理化性能，另一方面材料纳米化后，由于表面极高的表面自由能容易引发严重的团聚与堆叠，大大影响了纳米材料在实际生产加工上的广泛应用。解决纳米材料的堆叠团聚问题对于实现纳米材料工业化应用具有重要意义。

MXene是一种由过渡金属碳化物或者氮化物组成，具有二维片状结构的新型纳米材料，通过酸刻蚀层状陶瓷材料MAX相得到。其化学式为M_n+1X_n，(n＝1、 2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素)。其中Ti₃C₂ MXene具有优异的导电性和电化学反应活性，可作为基体材料实现对其他纳米材料的均匀稳定的负载，从而构筑新型高性能纳米复合材料。但MXene作为一种二维纳米材料，其自身由于范德华力所导致的不可逆的堆叠，极大的限制了无机纳米在其表界面的均匀生长和复合，限制了其表界面的高效应用。抑制MXene自身的堆叠实现纳米材料在其表界面均匀稳定的负载对实现MXene在纳米复合材料领域的广泛应用具有重大意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于三维多孔过渡金属碳化物复合纳米结构及其通用制备方法，制备得到的产物由二维Ti₃C₂ MXene片层三维联通组装而成，具有蜂窝状分级多孔结构，该三维多孔MXene可以均匀稳定负载不同无机物纳米结构，克服了无机纳米材料颗粒团聚、导电性差与二维MXene 的堆叠问题，极大地提高了MXene的比表面积和孔隙结构，使纳米材料的表界面得到高效利用，解决困扰无机纳米材料性能发挥与应用的基础性难题。该合成方法绿色环保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于规模化生产，对实现 MXene在纳米复合材料领域的广泛应用具有重要意义。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于三维多孔过渡金属碳化物Ti₃C₂ MXene复合纳米结构，该三维多孔 Ti₃C₂MXene复合纳米结构具有蜂窝状分级多孔结构，尺寸为0.2-50μm，可通过改变金属有机骨架化合物模板的尺寸调变其调变其内部孔径；三维多孔MXene 上负载纳米结构的载量可调，负载量在5-70wt.％之间，尺寸约数纳米至数十纳米；所述的复合纳米结构包括金属磷化物、金属硫化物、金属氢氧化物中的一种或两种以上，其中所述金属包括钴、铁、镍。可通过在反应性气体和保护性气体中煅烧处理获得三维多孔Ti₃C₂ MXene复合金属硫化物、磷化物的纳米颗粒，或通过与相应金属盐溶液之间的离子交换反应制备三维多孔Ti₃C₂ MXene复合金属氢氧化物的纳米颗粒。

一种基于三维多孔过渡金属碳化物Ti₃C₂ MXene复合纳米结构的通用合成方法，包括以下三种方案，每种方案的步骤如下：

方案一：

(1)将浓度为0.5-20mg mL^-1的Ti₃C₂ MXene溶液与金属有机骨架化合物超声分散10-60min，得到前驱体溶液。其中，Ti₃C₂ MXene溶液的溶剂为水或含有1-11个碳原子的醇类中的至少一种；金属有机骨架化合物为含钴、铁、镍化合物中的至少一种；金属有机骨架化合物与Ti₃C₂ MXene的质量比为0.01-100。

(2)利用超声雾化器将步骤(1)得到的前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以惰性气体为载气，将得到的气溶胶微液滴吹入预设温度的高温炉内，高温热解后快速干燥得到三维Ti₃C₂ MXene包覆金属有机骨架化合物纳米颗粒。其中，高温炉的预设温度为300-800℃，高温热解时间为1-6h；所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气中至少一种，载气流速为0.1-5.0L h^-1。

(3)在反应性气体和惰性气体氛围下，将步骤(2)得到的三维Ti₃C₂ MXene 包覆金属有机骨架化合物纳米颗粒放置于高温炉中进行煅烧处理，煅烧温度为 300-800℃，煅烧时间为1-6h，得到三维多孔Ti₃C₂ MXene复合金属化合物的纳米颗粒。所述的反应性气体为硫化氢气体或磷化氢气体，当为硫化氢气体时得到三维多孔Ti₃C₂ MXene复合金属硫化物的纳米结构，当为磷化氢气体时得到三维多孔Ti₃C₂ MXene复合金属磷化物的纳米结构颗粒。所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的至少一种，反应性气体和惰性气体体积比为0.1-10，载气流速为 0.1-5.0L h^-1。

方案二：

(1)将浓度为0.5-20mg mL^-1的Ti₃C₂ MXene溶液与金属有机骨架化合物超声分散10-60min，得到前驱体溶液。其中，Ti₃C₂ MXene溶液的溶剂为水或者含有1-11个碳原子的醇类中的至少一种；金属有机骨架化合物为含钴、铁、镍、化合物中的至少一种；金属有机骨架化合物与Ti₃C₂ MXene的质量比为0.01-100。

(2)利用超声雾化器将步骤(1)得到的前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以惰性气体为载气，将气溶胶微液滴吹入预设温度的高温炉内，快速干燥后得到三维Ti₃C₂ MXene包覆金属有机骨架化合物纳米颗粒。其中，高温炉的预设温度为300-800℃，高温热解时间为1-6h；所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气中的至少一种，载气流速为0.1-5.0L h^-1。

(3)将步骤(2)中得到的三维Ti₃C₂ MXene包覆金属有机骨架化合物纳米颗粒分别放置于铁、钴、镍金属盐溶液中，溶剂为含有1-11个碳原子的醇和水的混合溶剂，常温下反应，反应时间为1-5h，得到三维多孔Ti₃C₂ MXene复合对应铁、钴、镍金属氢氧化物的纳米结构颗粒。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明解决了基于三维多孔MXene 的复合结构制备、加工和应用的难题，具体为：

(1)在结构内部，三维多孔Ti₃C₂ MXene内部存在丰富的孔结构，MXene 之间相互交联形成三维网络结构，能够高效抑制Ti₃C₂ MXene之间由于范德华相互作用引起的堆叠与团聚。

(2)制备得到的三维多孔Ti₃C₂ MXene纳米复合结构，具有很高的电化学活性面积和优异的导电性，其负载的纳米金属硫化物、磷化物、氢氧化物颗粒，可以实现均匀分散，展现出优异的结构稳定性。

(3)本发明可以实现在三维多孔Ti₃C₂ MXene结构基体上进行多种不同种类纳米复合结构的均匀负载、尺寸调控等纳米尺度上的精细操作，工艺简单，过程绿色环保，易于规模化生产；在能源、催化、生物药物、电磁屏蔽、光电材料等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中400℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载硫化钴纳米颗粒的扫描电镜图，标尺为1μm；

图2是本发明实施例1中400℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载硫化钴纳米颗粒的透射电子显微镜照片，标尺为500nm；

图3是本发明实施例1中400℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载硫化钴纳米颗粒的透射电子显微镜照片，标尺为100nm；

图4是本发明实施例2中600℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载磷化钴纳米颗粒的扫描电镜图，标尺为2μm；

图5是本发明实施例2中600℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载磷化钴纳米颗粒的透射电子显微镜照片，标尺为500nm；

图6是本发明实施例2中600℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载磷化钴纳米颗粒的透射电子显微镜照片，标尺为100nm；

图7是本发明实施例3中800℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载氢氧化钴纳米片的扫描电镜图，标尺为1μm；

图8是本发明实施例3中800℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载氢氧化钴纳米片的透射电子显微镜照片，标尺为500nm；

图9是本发明实施例3中800℃制备的三维多孔Ti₃C₂ MXene负载氢氧化钴纳米片的透射电子显微镜照片，标尺为100nm。

具体实施方式

针对现有技术的诸多缺陷，提出本发明的技术方案，如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在实施例中具体描述的各技术特征之间都可以相互结合，从而构成新的或者优选的技术方方案。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1负载硫化钴纳米颗粒的三维多孔Ti₃C₂MXene的制备方法(方案一)

1)将5mL20mgmL^-1Ti₃C₂MXene与50mg含钴的金属有机骨架化合物ZIF-67 分散在100mL乙醇中，超声分散10min制备得到前驱体溶液。

2)利用超声雾化器将步骤1)中得到的前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以Ar气为载气，将气溶胶微液滴吹入预设温度为300℃的管式炉使其快速干燥，得到三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒。获得产物颗粒为平均尺寸约3.5μm。

3)在硫化氢气体和氩气气氛下，将步骤2)得到的三维Ti₃C₂ MXene包覆 ZIF-67纳米颗粒放置于高温炉中煅烧处理得到三维多孔Ti₃C₂MXene负载硫化钴纳米颗粒的复合结构，煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h。硫化氢气体和氩气体积比为0.1:1,载气流速为1.0Lh^-1。

实施例2负载磷化钴纳米颗粒的三维多孔Ti₃C₂MXene的制备方法(方案一)

1)将5mL10mgmL^-1Ti₃C₂ MXene与500mg含钴的金属有机骨架化合物 ZIF-67分散在50mL乙醇中，超声分散60min制备得到前驱体溶液。

2)利用超声雾化器将步骤1)中所述前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以Ar气为载气，将气溶胶微液滴吹入预设温度为400℃的管式炉使其快速干燥，得到三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒。获得产物颗粒为平均尺寸约3.5μm。

3)在磷化氢气体和氮气气体保护下，将步骤2)得到的三维Ti₃C₂ MXene 包覆ZIF-67纳米颗粒放置于高温炉中煅烧处理得到三维多孔Ti₃C₂MXene负载磷化钴纳米颗粒的复合结构，煅烧温度为350℃，煅烧时间为2h。磷化氢气体和氮气体积比为1：1，载气流速为0.5Lh^-1。

实施例3负载氢氧化钴纳米片的三维多孔MXene的制备方法(方案二)

1)将100mL0.5mgmL^-1Ti₃C₂ MXene与5000mg含钴的金属有机骨架化合物ZIF-67分散在50mL乙醇中，超声分散60min制备得到前驱体溶液。

2)利用超声雾化器将1)中所述前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以Ar气为载气，将气溶胶微液滴吹入预设温度为300℃的管式炉使其快速干燥，得到三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒。获得产物颗粒为平均尺寸约3.5μm。

3)将步骤2)得到的三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒放置于对应的氯化钴的乙醇溶液中(20mg mL^-1，20mL)，25℃下反应，反应时间为1h，得到三维多孔Ti₃C₂MXene负载氢氧化钴纳米片的复合结构。

实施例4负载硫化镍纳米颗粒的三维多孔Ti₃C₂MXene的制备方法(方案一)

1)将250mL浓度为20mgmL^-1的Ti₃C₂ MXene溶液与50mg含镍的金属有机骨架化合物ZIF-67分散在100mL乙醇中，超声分散60min制备得到前驱体溶液。

2)利用超声雾化器将步骤1)中所述前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以氮气为载气，将气溶胶微液滴吹入预设温度为800℃的管式炉使其快速干燥，得到三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒。获得产物颗粒为平均尺寸约3.5μm。

3)在硫化氢气体和Ar气气体保护下，将步骤2)得到的三维Ti₃C₂ MXene 包覆ZIF-67纳米颗粒放置于高温炉中煅烧处理得到三维多孔Ti₃C₂MXene负载硫化镍纳米颗粒的复合结构，煅烧温度为800℃，煅烧时间为1h。硫化氢气体和Ar气体积比为10:1，载气流速为0.1Lh^-1。

实施例5负载磷化镍纳米颗粒的三维多孔Ti₃C₂MXene的制备方法(方案一)

1)将50mL浓度为10mgmL^-1的Ti₃C₂ MXene溶液与50mg含镍的金属有机骨架化合物ZIF-67分散在100mL乙醇中，超声分散60min制备得到前驱体溶液。

2)利用超声雾化器将步骤1)中所述前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以氮气为载气，将气溶胶微液滴吹入预设温度为800℃的管式炉使其快速干燥，得到三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒。获得产物颗粒为平均尺寸约3.5μm。

3)在磷化氢气体和氮气气体保护下，将步骤2)得到的三维Ti₃C₂ MXene 包覆ZIF-67纳米颗粒放置于高温炉中煅烧处理得到三维多孔Ti₃C₂MXene负载磷化镍纳米颗粒的复合结构，煅烧温度为800℃，煅烧时间为6h。磷化氢气体和氮气体积比为0.1：1，载气流速为5Lh^-1。

实施例6负载氢氧化镍纳米片的三维多孔MXene的制备方法(方案二)

1)将250mL20mgmL^-1Ti₃C₂ MXene与50mg含镍的金属有机骨架化合物 ZIF-67分散在50mL乙醇中，超声分散60min制备得到前驱体溶液。

2)利用超声雾化器将1)中所述前驱体溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。以Ar气为载气，将气溶胶微液滴吹入预设温度为800℃的管式炉使其快速干燥，得到三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒。获得产物颗粒为平均尺寸约3.5μm。

3)将步骤2)得到的三维Ti₃C₂ MXene包覆ZIF-67纳米颗粒放置于对应的氯化镍的乙醇溶液中(50mg mL^-1，20mL)，25℃下反应，反应时间为5h，得到三维多孔Ti₃C₂MXene负载氢氧化镍纳米片的复合结构。

应当理解的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。