一种二维氮化钛膜的制备方法与流程

本发明属于膜材料制备的技术领域，涉及一种二维材料和碳纳米管材料，具体涉及一种二维氮化钛膜的制备方法。

背景技术：

自石墨烯出现以来，多种二维材料逐渐被人们开发出来。例如过渡金属硫族化合物，黑鳞烯，过渡金属碳（氮）化物等等。二维材料具有较好的热稳定性以及优良的机械性能。因此，二维材料是近年来研究热点。由二维材料制备出来的膜机械性能良好，应用范围广，制备过程简单。一种新型二维材料mxene，也被人们在2011年开发出来了，mxene家族庞大，种类繁多，各种二维mxene膜也逐渐被人们开发出来了。并且应用于各个领域。氮化钛（ti4n3）这种mxene，性能稳定，有望应用于锂离子电池，钠离子电池，锂硫电池，锂空气电池，超级电容器和电催化等领域。然而，目前还没有人将ti4n3这种mxene制备成层状膜。

因此，如何以一种简单的方法制备二维氮化钛（ti4n3）膜成为了研究热点。

技术实现要素：

为了改进现有的技术，本发明的首要目的是用一种简单的制备方法来制备二维氮化钛膜。

本发明目的通过以下技术方案实现。

一种二维氮化钛膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）将酸溶液与锂盐混合，然后加入ti4aln3粉末，搅拌，离心洗涤，干燥，得到ti4n3粉末；

（2）将ti4n3粉末超声溶解于水中，得到二维ti4n3纳米片的溶液；

（3）将二维ti4n3纳米片的溶液通过自组装技术堆积到多孔基底上，干燥后即可得到一种二维氮化钛膜。

优选的，步骤（1）中所述的酸溶液为盐酸、硫酸或硝酸中的一种以上。

优选的，步骤（1）中所述的锂盐为氟化锂和氯化锂中的一种以上。

优选的，步骤（1）中所述的酸溶液与锂盐的体积质量比为100ml：（10~20）g。

优选的，步骤（1）中所述ti4aln3粉末的质量为1g~20g。

优选的，步骤（1）中所述搅拌的转速为10~100rpm；离心的转速为100~200rpm；离心的时间为10~30min。

优选的，步骤（1）中所述的干燥条件为鼓风干燥箱干燥、真空干燥中的一种或一种以上；所述的干燥温度为20℃~80℃；干燥的时间为1~10小时。

优选的，步骤（1）中所述酸溶液的体积浓度为10%~40%。

优选的，步骤（1）中所述搅拌的温度为20~100℃，时间为1~10小时。

优选的，步骤（2）中所述的ti4n3粉末与水的质量体积比为1g：（10~50）ml。

优选的，步骤（2）中所述的超声时间为2~10小时。

优选的，步骤（3）中所述的二维ti4n3纳米片的溶液的体积为5~200ml。

优选的，步骤（3）中所述的干燥条件为鼓风干燥箱干燥、真空干燥中的一种或一种以上；所述的干燥温度为30℃~200℃；干燥的时间为1~10小时。

优选的，步骤（3）中所述的自组装技术为旋转涂覆法、自然干燥法和真空抽滤法中的一种以上。

优选的，步骤（3）中所述的基底为阳极氧化铝滤膜（aao）和混合纤维素酯膜中的一种以上。

本发明通过二维材料ti4n3制备出了二维氮化钛膜有望应用于锂离子电池，钠离子电池，锂硫电池，锂空气电池，超级电容器，电催化等领域。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

（1）本发明制备的二维氮化钛膜的层状结构明显，是典型的二维膜。

（2）本发明二维氮化钛膜的制备过程简单，能耗低，在实际应用中能极大的节约成本。

（3）本发明制备的二维氮化钛膜的导电性好，有望应用于锂离子电池，钠离子电池，锂硫电池，锂空气电池，超级电容器和电催化等领域，可重复性好，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1制备的氮化钛膜的表面扫描电子显微镜（sem）图；

图2为实施例2制得的氮化钛膜的横截面扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明的实施方式不受限于此。

实施例1

一种二维氮化钛膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将100ml盐酸溶液（体积浓度10%）与10g氟化锂混合，再将1gti4aln3粉末加入到上述溶液中，在20℃下搅拌1h，在10rpm下离心洗涤，干燥，得到ti4n3粉末；

（2）将1gti4n3粉末与10ml去离子水混合，超声2h，得到二维ti4n3纳米片的溶液；

（3）取5ml的上述二维ti4n3纳米片的溶液，通过真空抽滤，堆积到直径为100mm，孔径为500nm，厚度为60μm的aao多孔基底上，30℃干燥1h后即可得到一种二维氮化钛膜。该膜的电导率为5000s.cm^-2。

本实施例制备的二维氮化钛膜的表面扫描电子显微镜（sem）图如图1所示，从图1中可以看出膜表面致密且呈现出褶皱状。

实施例2

一种二维氮化钛膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将100ml硝酸溶液（体积浓度40%）与20g溴化锂混合，再将20gti4aln3粉末加入到上述溶液中，在100℃下搅拌10h，在100rpm下离心洗涤，干燥，得到ti4n3粉末；

（2）将1gti4n3粉末与50ml去离子水混合，超声10h，得到二维ti4n3纳米片的溶液；

（3）取200ml的上述二维ti4n3纳米片的溶液，通过自然干燥，堆积到直径为100mm，孔径为500nm，厚度为60μm的混合纤维素酯多孔基底上，200℃干燥10h后即可得到一种二维氮化钛膜。该膜的电导率为5500s.cm^-2。

本实施例制备的二维氮化钛膜的横截面扫描电子显微镜图如图2所示，从图2中可以看出膜的厚度为3μm。

实施例3

一种二维氮化钛膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将100ml硫酸溶液（体积浓度20%）与15g溴化锂混合，再将10gti4aln3粉末加入到上述溶液中，在80℃下搅拌8h，在80rpm下离心洗涤，干燥，得到ti4n3粉末；

（2）将1gti4n3粉末与25ml去离子水混合，超声3h，得到二维ti4n3纳米片的溶液；

（3）取20ml的上述二维ti4n3纳米片的溶液，通过真空干燥，堆积到直径为100mm，孔径为500nm，厚度为60μm的混合纤维素酯多孔基底上，80℃干燥14h后即可得到一种二维氮化钛膜。该膜的电导率为5000s.cm^-2。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种二维氮化钛膜的制备方法，属于膜制备的技术领域。该方法为：（1）先将酸溶液与锂盐混合搅拌，再加入Ti4AlN3粉末，搅拌，离心，干燥，即可得到Ti4N3粉末；（2）将Ti4N3粉末与水混合，超声，即可得到Ti4N3纳米片的溶液；（3）将上述Ti4N3纳米片的溶液通过自组装技术，堆积到多孔基底上，干燥后即可得到一种二维氮化钛膜。本发明制备的二维氮化钛膜导电性好，机械性能优异；所述的制备方法简单、易操作、能耗低、成本低、适合大规模工业生产。

技术研发人员：王海辉;王莹;王素清;丁力
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2017.07.26
技术公布日：2017.11.24