阅读说明：本技术 一种MXene二维材料的制备方法及应用 (Preparation method and application of MXene two-dimensional material ) 是由 周双 方俊育 苏耀荣 吕林筱 郭思仪 韩培刚 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种MXene二维材料的制备方法及应用,按照摩尔比1:10～14将Ti3AlC2与NaOH分散于刚玉坩埚中；将坩埚转移到石英玻璃管抽真空并通入氮气,在400℃下反应至少24h,冷却至室温后,将所得样品用去离子水清洗,得到黑灰色液体；将黑灰色液体置于反应釜中,用超声破碎机处理至少20min,得到黑灰色的悬浮液；将悬浮液置于试管中,用离心机在4000r转速下离心,得到下层沉淀,并用去离子水反复清洗,得到灰色沉淀物,将灰色沉淀物进行真空干燥处理,得到二维材料MXene。由于该材料使用NaOH进行刻蚀,故材料表面不会形成不可控的官能团,不会造成污染。(The embodiment of the invention discloses a preparation method and application of an MXene two-dimensional material, wherein Ti3AlC2 and NaOH are dispersed in a corundum crucible according to a molar ratio of 1: 10-14; transferring the crucible to a quartz glass tube, vacuumizing, introducing nitrogen, reacting at 400 ℃ for at least 24 hours, cooling to room temperature, and cleaning the obtained sample with deionized water to obtain a black-gray liquid; putting the black and gray liquid into a reaction kettle, and treating for at least 20min by using an ultrasonic crusher to obtain black and gray suspension; and placing the suspension in a test tube, centrifuging at the rotating speed of 4000r by using a centrifuge to obtain a lower-layer precipitate, repeatedly washing by using deionized water to obtain a gray precipitate, and performing vacuum drying treatment on the gray precipitate to obtain the two-dimensional material MXene. As the material is etched by using NaOH, uncontrollable functional groups cannot be formed on the surface of the material, and pollution cannot be caused.)

一种MXene二维材料的制备方法及应用

技术领域

本发明实施例涉及化学技术领域，尤其是一种MXene二维材料的制备方法及应用。

背景技术

MXene，是一种新型的二维材料，主要是过渡金属碳化物或者氮化物，它一般是通过刻蚀MAX相中的A层来合成的(其中M是早期过渡金属，A主要是IIIA族或IVA族元素，X是C和/或N)。作为一种新型的二维层状材料，MXene具有优异的金属导电性，在现阶段被广泛应用于超级电容器的研发中。除此以外，MXene片还具有高应变敏感性和丰富的表面官能团，从而具有亲水表面，这一特性对于研发生物电子材料具有积极的影响。总而言之，MXene作为一种新型的二维材料，具有许多传统材料无法拥有的特性，未来将在多个方面发挥至关重要的作用。

在MAX相中，M-X键具有共价/金属/离子的混合特征，较强，而M-A是金属键，较弱，因而我们可以用化学方法去掉A层而不影响M-X键。比如，用某些刻蚀剂去掉A层或真空条件下，在熔融盐或熔融金属中高温加热MAX导致A层选择性丢失。传统的MXene 合成方法都是利用HF进行刻蚀，虽然HF能够有效地将MAX相中的A层去除，但HF本身是一种强烈的腐蚀剂，对人体有害，且会带来严重的污染。且通过HF刻蚀得到的MXene，其表面官能团无法控制。除此以外，HF中的氟离子会在一定程度还会降低材料的性能，如导电性等。因而我们急需一种无氟的方法去合成MXene。

目前，无氟合成MXene的方法有水热法或者熔融金属法，都可以去除MAX相中的A层，然而上述方法均存在一些问题，如，合成的样品纯度不够，在灵敏测试中表现不佳，需要在一千摄氏度左右的高温才可实现等。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明创造的实施例提供一种MXene二维材料的制备方法，包括：

按照摩尔比1:10～14将Ti₃AlC₂与NaOH均匀分散于刚玉坩埚中；

将坩埚转移到石英玻璃管抽取真空并通入氮气，在400～600℃下反应至少24h，冷却至室温后，将所得样品用去离子水清洗，得到黑灰色液体；

将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理至少20min，得到黑灰色的悬浮液。

将悬浮液置于试管中，用离心机在4000～8000r转速下离心，得到下层沉淀，用去离子水反复清洗下层沉淀后，得到灰色沉淀物，将灰色沉淀物进行真空干燥处理，得到二维材料MXene。

优选地，按照摩尔比1:12将Ti₃AlC₂与NaOH均匀分散于刚玉坩埚中。

优选地，将坩埚转移到石英玻璃管抽取真空并通入氮气后，在 500℃下反应48h。

优选地，升温速率为1℃/min。

优选地，MXene二维材料为手风琴层状结构。

优选地，将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理 30min，得到黑灰色的悬浮液

优选地，将悬浮液置于试管中，用离心机在6000r转速下离心。

一种MXene二维材料的应用，其特征在于，将权利要求1～8任意一项所述的MXene二维材料应用于制备超级电容或电池。

一种电容，其特征在于，包括权利要求1～8任意一项所述的 MXene二维材料。

一种电池，其特征在于，包括权利要求1～8任意一项所述的 MXene二维材料。

本发明实施例与传统通过HF刻蚀所得的MXene一样，拥有风琴状结构，能够使电子在其层间快速通过，是超级电池或电容器的潜在材料。除此以外，由于是使用NaOH进行刻蚀，故在材料的表面不会形成不可控的官能团，也不会对环境造成污染。此外本实施例中的方案不需要高温，且利用NaOH可以进行充分刻蚀，提高MXene的纯度，将MXene二维材料应用于电容或电池可以提高电容测试的灵敏性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的扫描电镜(SEM)测试图；

图2为本发明实施例的X射线衍射(XRD)测试图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的一个实施例，首先，将一定量的Ti3AlC2和NaOH按摩尔比1:12置于手套箱中，在无水无氧环境下充分研磨混合，并均匀地分散于刚玉坩埚中；然后将上述坩埚转移到石英玻璃管中，抽取真空并通入氮气，在600℃下反应48h(升温速率为1℃/min)；冷却至室温后，再将所得样品用去离子水清洗，得到黑灰色液体；将所得黑灰色液体置于反应釜中，用超声破碎机处理30min，得到黑灰色的悬浮液。将悬浮液置于试管中，用离心机在6000r转速下离心，得到下层沉淀，用去离子水反复清洗下层沉淀后，得到灰色沉淀物。最后，将灰色沉淀物进行真空干燥处理，得到产物MXene二维材料。

本发明实施例，图1a为原材料Ti₃AlC₂的SEM图像。从图1a 可以看到，在电镜下，原材料Ti₃AlC₂为块状结构，对于电子/离子的传输无积极影响。

图1b-d为实验所合成MXene的SEM图像。从图b-d可以看到，在电镜下，由熔融的NaOH制备的MXene具有明显的层状结构，类似于手风琴，这意外着原材料Ti₃AlC₂中间的A层，即铝层，已经成功被腐蚀掉，进而形成了这种有利于电子/离子在其中间传输的层状结构，b-d这三张SEM图直观说明了该实验的成功，即成功去除原料的A层进而制得MXene这种新型二维材料。

图2为原材料Ti₃AlC₂与合成MXene的Ti3C2的xrd对比图像。从图2中可以看出，由熔融NaOH合成的MXene的Ti3C2与原材料 Ti₃AlC₂的xrd曲线有很大不同，Ti₃C₂的(104)面的衍射线(即39°左右衍射线)相比较于Ti₃AlC₂强度有明显的下降，表明在通过高频蚀刻去除铝层后，Ti₃AlC₂转变为Ti₃C₂。此外，可以发现，由于Ti3C2 的层间间距的增加，在NaOH蚀刻分层之后，Ti₃C₂在9.5°的衍射峰移动到9.4°左右，移动到较低的角度，表明Ti₃C₂的成功剥离。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。