一种喷雾干燥法制备Ti3C2Tx/炭黑复合微球的方法与流程

一种喷雾干燥法制备ti3c2t
x
/炭黑复合微球的方法
技术领域
[0001]
本发明涉及过渡金属碳/氮/碳氮化物材料的制备方法，属于新材料制备技术领域。


背景技术：

[0002]
ti3c2t
x
是mxene中的一种,是由ti3alc2经hf刻蚀并剥离所得。mxene是二维过渡金属碳/氮/碳氮化物的简称，因其是由max相经刻蚀之后所得到且具有与石墨烯(graphene)相似的二维材料结构而得名。max相是制备mxene的前驱体，其化学式一般为m
n+1
ax
n
，其中m代表早期过渡金属，如ti、v、nb、mo等；a代表ⅲa或ⅳa族元素，如al、si、pb、sn等；x代表c或n。max相的结构为m层原子和a层原子交替排列成近密堆积六方层状结构，x原子填充在其八面体间隙。而mxene则是max相经hf等刻蚀剂刻蚀掉a层原子并剥离所得到。
[0003]
喷雾干燥法是流化技术用于液态物料干燥的方法。它是将液态物料浓缩至适宜的密度后，使其雾化成细小雾滴，与一定流速的热气流进行热交换，使水分迅速蒸发，将液态物料干燥处粉末状或颗粒状的方法。
[0004]
ti3c2t
x
与其他二维材料相同，具有易堆叠的缺点，同时暴露在表面的高比例的金属原子导致ti3c2t
x
在氧化性气氛中容易相变为tio2，因此在ti3c2t
x
的应用中防止其堆叠和氧化是亟待解决的问题。
[0005]
此外，也有专利文件报道，将ti3c2t
x
制备成微球，例如:cn110937603a公开了一种mxene微球及其制备方法，将mxene和二苯醚进行混合，然后高速搅拌乳化并在低温下冷冻，随后真空干燥，得到mxene微球。cn111892039a公开了一种mxene与碳纳米管的复合空心纳米球及其自催化制备方法和应用，以带正电的三聚氰胺甲醛树脂(mf)微球作为模板，通过静电相互作用将带负电的mxene纳米片包覆到mf微球上，制备得到三聚氰胺甲醛树脂与mxene的复合纳米微球，再利用浸渍法将钴离子负载到三聚氰胺甲醛树脂与mxene的复合纳米微球上，最后高温煅烧除去三聚氰胺甲醛树脂，得到mxene与碳纳米管的复合空心纳米球。上述的两种ti3c2t
x
微球的制备方法不可连续生产，且制备流程比较复杂，制备时间较长，有一部分ti3c2t
x
会在制备过程中就被氧化，制备的ti3c2t
x
微球尺寸不均匀，会对后续材料的应用产生影响。而使用喷雾干燥技术进行制备ti3c2t
x
微球的方法可连续生产，且仅需将ti3c2t
x
溶液与炭黑溶液简单混合，喷雾干燥过程较快，可以最大程度地抑制ti3c2t
x
的氧化，制备所得ti3c2t
x
/炭黑微球形貌均匀，有利于后续应用。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中ti3c2t
x
易堆叠易氧化的问题，尤其是现有ti3c2t
x
微球制备方法不可连续生产、流程复杂、制备时间较长、所制备的ti3c2t
x
微球形貌不均匀的缺点，提供一种喷雾干燥法制备ti3c2t
x
/炭黑复合微球的方法。本发明将ti3c2t
x
通过喷雾干燥组装成ti3c2t
x
/炭黑微球，使其变成3d结构，同时减少其和空气中氧气的接触面积，抑制其氧化。
[0007]
本发明的技术方案如下:
[0008]
一种喷雾干燥法制备ti3c2t
x
/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下：
[0009]
(1)向ti3c2t
x
水分散液中加入炭黑粉末，分散均匀，得到ti3c2t
x
/炭黑分散液；
[0010]
(2)将ti3c2t
x
/炭黑分散液进行喷雾干燥，得到固体粉末；
[0011]
(3)将固体粉末进一步干燥，即得。
[0012]
根据本发明，优选的，步骤(1)ti3c2t
x
/炭黑分散液中ti3c2t
x
与炭黑的质量比为1：(0.5-10)，进一步优选1：(1-4)，最优选1:1。
[0013]
根据本发明，优选的，步骤(1)ti3c2t
x
/炭黑分散液的质量浓度为1-10mg/ml,进一步优选1-4mg/ml，最优选2mg/ml。
[0014]
根据本发明，优选的，步骤(2)中喷雾干燥的进口温度为140-200℃，进一步优选160-180℃，最优选170℃。
[0015]
根据本发明，优选的，步骤(2)中喷雾干燥的进料量10-20ml/min，进一步优选10-15ml/min，最优选11ml/min。
[0016]
根据本发明，优选的，步骤(3)中干燥温度为40-100℃，进一步优选60-80℃，最优选60℃；
[0017]
优选的，干燥时间为8h-16h，进一步优选12h。
[0018]
根据本发明，喷雾干燥法制备ti3c2t
x
/炭黑复合微球的方法,一种优选的实施方案，包括步骤如下：
[0019]
(1)取40ml浓度为5mg/ml的ti3c2t
x
水分散液与60ml超纯水混合并超声分散20min，然后依次加入200mg炭黑粉末和100ml超纯水，再次超声分散20min后持续搅拌20min，获得浓度为2mg/ml均一稳定的ti3c2t
x
/炭黑分散液；
[0020]
(2)采用小型喷雾干燥仪处理ti3c2t
x
/炭黑分散液获得ti3c2t
x
/炭黑微球，设置喷雾干燥仪参数为：抽气机功率100％，进口温度170℃，进料量11ml/min，喷雾气体流量40ml/min；
[0021]
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h，即得到ti3c2t
x
/炭黑微球。
[0022]
本发明的有益效果
[0023]
1、本发明所制备的ti3c2t
x
微球所具有的球形微观结构，很好地解决了ti3c2t
x
易堆叠的问题，同时降低了ti3c2t
x
与空气的接触面积，抑制了空气中的氧气对ti3c2t
x
的氧化作用。
[0024]
2、本发明所使用的喷雾干燥制备ti3c2t
x
微球的方法可连续生产，且仅需将ti3c2t
x
溶液与炭黑溶液简单混合，喷雾干燥过程较快，可以最大程度地抑制ti3c2t
x
的氧化，制备所得ti3c2t
x
/炭黑微球形貌均匀，有利于后续应用。
附图说明
[0025]
图1为实施例1中制得的ti3c2t
x
/炭黑复合微球的sem图。
[0026]
图2为实施例2中制得的ti3c2t
x
/炭黑复合微球的sem图。
具体实施方式
[0027]
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
[0028]
实施例中所有原料均为常规原料，所有设备均为常规设备。
[0029]
实施例1
[0030]
一种喷雾干燥法制备ti3c2t
x
/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下：
[0031]
(1)取40ml浓度为5mg/ml的ti3c2t
x
水分散液与60ml超纯水混合并超声分散1h，然后依次加入200mg炭黑粉末和100ml超纯水，再次超声分散1h后持续搅拌2h，获得浓度为2mg/ml均一稳定的ti3c2t
x
/炭黑分散液；
[0032]
(2)采用小型喷雾干燥仪处理ti3c2t
x
/炭黑分散液获得ti3c2t
x
/炭黑微球，设置喷雾干燥仪参数为：抽气机功率100％，进口温度170℃，进料量11ml/min，喷雾气体流量40ml/min；
[0033]
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h，即得到ti3c2t
x
/炭黑微球。
[0034]
本实施例中制得的ti3c2t
x
/炭黑复合微球的sem图如图1所示。由图1可知，本发明制备的ti3c2t
x
/炭黑微球具有较高的比表面积且尺寸均匀，可以应用于co2的吸附、超级电容器、电池、催化、分离等方面。
[0035]
实施例2
[0036]
一种喷雾干燥法制备ti3c2t
x
/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下：
[0037]
(1)取40ml浓度为5mg/ml的ti3c2t
x
水分散液与60ml超纯水混合并超声分散1h，然后依次加入100mg炭黑粉末和100ml超纯水，再次超声分散1h后持续搅拌2h，获得浓度为1mg/ml均一稳定的ti3c2t
x
/炭黑分散液；
[0038]
(2)采用小型喷雾干燥仪处理ti3c2t
x
/炭黑分散液获得ti3c2t
x
微球，设置喷雾干燥仪参数为：抽气机功率100％，进口温度170℃，进料量11ml/min，喷雾气体流量40ml/min；
[0039]
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h，即得到ti3c2t
x
/炭黑微球。
[0040]
本实施例中制得的ti3c2t
x
/炭黑复合微球的sem图如图2所示。由图2可知，本发明制备的ti3c2t
x
/炭黑微球具有较高的比表面积且尺寸均匀。
[0041]
实施例3
[0042]
一种喷雾干燥法制备ti3c2t
x
/炭黑复合微球的方法,包括步骤如下：
[0043]
(1)取40ml浓度为5mg/ml的ti3c2t
x
水分散液与60ml超纯水混合并超声分散1h，然后依次加入200mg炭黑粉末和100ml超纯水，再次超声分散1h后持续搅拌2h，获得浓度为2mg/ml均一稳定的ti3c2t
x
/炭黑分散液；
[0044]
(2)采用小型喷雾干燥仪处理ti3c2t
x
/炭黑分散液获得ti3c2t
x
微球，设置喷雾干燥仪参数为：抽气机功率100％，进口温度150℃，进料量10ml/min，喷雾气体流量30ml/min；
[0045]
(3)将所得粉末在60℃鼓风干燥箱中进一步干燥12h，即得到ti3c2t
x
/炭黑微球。
[0046]
对比例1
[0047]
将200mg ti3c2t
x
、200mg炭黑分别分散到100ml去离子水中，制得浓度为2mg/ml的ti3c2t
x
分散液和2mg/ml的炭黑分散液，将ti3c2t
x
分散缓慢加入到炭黑分散液中，边加入边搅拌，混合比例1:1，对混合溶液热风干燥，温度设置为150℃，制得ti3c2t
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/炭黑复合物。
[0048]
对比例1热风干燥制得的ti3c2t
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/炭黑复合物样品形貌、尺寸无法控制，密度低。而本发明实施例1-4喷雾干燥方法制备速度更快，样品尺寸均匀，可调控，并且可连续生产。
[0049]
对比例2
[0050]
如实施例1所述，不同的是：设置喷雾干燥仪参数为抽气机功率100％，进口温度130℃，进料量10ml/min，喷雾气体流量30ml/min。由于进口温度较低，进料量较大，有部分
ti3c2t
x
/炭黑分散液未被完全干燥，导致产量降低。
[0051]
对比例3
[0052]
如实施例1所述，不同的是：
[0053]
调整ti3c2t
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和炭黑的加入量，获得浓度为15mg/ml均一稳定的ti3c2t
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/炭黑分散液。
[0054]
对比例3使用较高浓度的ti3c2t
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/炭黑分散液会导致喷雾干燥机喷头处发生堵塞，从而不利于连续生产。