一种快速制备碳纳米管‑二维碳化钛复合材料的方法与流程

本发明涉及一种快速制备碳纳米管-二维碳化钛复合材料的方法，属于材料制备领域。

背景技术：

近年来，一类新型二维半导体材料MXenes受到材料研究者的广泛关注(Naguib,M.,et al.,Advanced Materials,2014.26(7):992-1005)。MXenes是利用MAX相(M-早期过渡族金属，A-ⅢA或ⅣA组元素，X-碳和/或氮)中A片层与MX片层之间的弱结合，用刻蚀剂(如HF、LiF+HCL、NH₄HF₂)将MAX相中的A原层子剥蚀而制备的一种新型二维纳米碳化物或碳氮化物，具有较大的比表面积和较窄的带隙宽度。研究发现：MXene作为一种导电性能良好且表面官能团可调控的二维层状材料，在储能领域有极大的应用前景。

二维碳化钛(Ti₃C₂)是一种典型的MXene材料，密度泛函理论计算表明Ti₃C₂作为锂离子电池负极时其理论容量为320mAhg^-1，略低于传统锂离子电池阳极材料—石墨的理论容量(372mAhg^-1)，但是经过分层的Ti₃C₂，其在1C下的容量可达410mAhg^-1。另外Ti₃C₂在超级电容器中用作电极材料也被证明是可行的。例如在KOH电解液中，分层Ti₃C₂T_x电容器的体积比电容为340F/cm³，远远高出碳化物衍生炭电极材料的体积比电容，在1A/g下，经过10000次循环后仍能保持初始比电容，这一数据几乎高于所有的碳基双电层电容器。

但是Ti₃C₂的层间容易塌陷和堆垛在一起，影响其作为电极材料的性能。因此目前主流的趋势是将Ti₃C₂与其它材料复合，以阻止Ti₃C₂的堆叠，同时该材料应具备良好的导电性和较大的比表面积，以减少离子转移的阻力和增加离子的吸附位点。在Ti₃C₂中添加碳纳米管是行之有效的方法。例如碳纳米管生长在Ti₃C₂表面或层间制备的三维网状结构的复合材料，用于锂离子电池的负极，获得的可逆容量在1C下为320mAhg^-1,几乎是纯Ti₃C₂的两倍(Lin,Z.Y.,et al.,Journal of Materials Chemistry A,2015.3:12096-14100)。但是目前在Ti₃C₂上生长碳纳米管，需要真空或惰性气体保护，而且需要高温、碳源以及合适的催化剂，复杂的工艺和高昂的成本严重制约了该方法的推广和应用。因此，寻求一种高效、价格低廉的方法是推广碳纳米管-二维碳化钛的迫切要求。

技术实现要素：

技术问题：本发明所要解决的问题是：针对上述观点，提供一种快速、成本低廉和安全无毒害的碳纳米管-二维碳化钛复合材料的制备方法。采用该方法制备目标材料，克服了传统方法制备碳纳米管的缺点，且该方法简单快捷，整个制备过程不会用到对人体有害的试剂原料。

技术方案：本发明的快速制备碳纳米管-二维碳化钛复合材料的方法包括如下步骤：将二维碳化钛和二茂金属粉末混合均匀，置于陶瓷或石英容器中，然后微波加热，从而快速制备碳纳米管-二维碳化钛复合材料。

其中：所述的二维碳化钛由Ti₃AlC₂相在氢氟酸或氟化锂加盐酸的混合溶液中刻蚀而得；所述的二茂金属为二茂铁、二茂镍或二茂钴，或该三种材料的任意组合，与二维碳化钛混合均匀，二维碳化钛和二茂金属粉末的重量之比为0.1～5。

所述的二茂金属和二维碳化钛混合的方式有两种：第一种是干法混料，即将两者机械或手工混合均匀；第二种是湿法混料，即在二茂金属和二维碳化钛的混合物中加入有机溶剂，然后搅拌成均匀的黏稠浆料，待干燥后即为两者的均匀混合物。

所述的机溶剂为丙酮、甲苯或汽油。

所述的微波加热的功率为700～1800瓦，加热时间为5～180秒。

有益效果：与现有方法相比，本发明具有如下优点：

1.设备投资少，操作简单，周期短，能耗少，易实现规模生产，制备过程安全可靠无污染；

2.碳纳米管-二维碳化钛生产效率高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例一中制备的碳纳米管-二维碳化钛复合材料SEM图。

具体实施方式

为了达到以上目的，本发明的碳纳米管-二维碳化钛复合材料的方法包括以下基本步骤：

1.混料：利用混粉机或手工研磨的手段将二维碳化钛和二茂金属(二茂铁、二茂镍、二茂钴的任意组合)粉末干法或湿法混合均匀；

2.微波加热：将盛放有混合粉末的陶瓷或石英容器中置于微波装置中快速加热，从而迅速制备碳纳米管-二维碳化钛复合材料。

为进一步达到目的，本发明还可以将第2步获得的碳纳米管-二维碳化钛粉末与二茂金属进行混合，多次重复上述1、2步。最终的结果是二维碳化钛表面的碳纳米管密度和长度显著增加。

其中：

所述二维碳化钛和二茂金属粉末的重量之比为0.1～5；

所述微波加热的功率为700～1800瓦，加热时间为5～180秒。

实施例一

混粉机干法混料，900瓦微波加热制备碳纳米管-二维碳化钛复合材料：

1.混料：将二维碳化钛(100mg)和二茂铁(100mg)放入10毫升塑料小瓶中，以72转/分的转速在混粉机上混料1小时；

2.微波加热：将步骤1中的盛放混合粉末的陶瓷容器置于微波装置中，以900瓦的功率快速加热40秒，从而获得一种黑色蓬松状产物，即为目标产物。

实施例二

手工研磨干法混料，720瓦微波加热制备碳纳米管-二维碳化钛复合材料：

1.混料：准确称量二维碳化钛和二茂铁各50mg，放入玛瑙研钵中仔细研磨15分钟；

2.微波加热：将步骤1中的盛放有混合粉末的石英容器置于微波装置中，以720瓦的功率快速加热20秒，获得一种黑色蓬松状产物，即为目标产物。

实施例三

手工研磨湿法混料，900瓦微波加热制备碳纳米管-二维碳化钛复合材料：

1.混料：将1mL丙酮溶液到入盛放二维碳化钛(100mg)和二茂镍(100mg)的陶瓷容器中，手工搅拌，直到丙酮挥发完毕；

2.微波加热：将步骤1中盛放有混合粉末的陶瓷容器置于微波装置中，以900瓦的功率快速加热40秒，获得一种黑色蓬松状产物，重量约为180mg；

3.将步骤2中的粉末与等量二茂镍混合均匀，然后重复步骤1和2，可获得比步骤2量更多的黑色蓬松状产物，重量约为300mg。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均属于本发明要求的保护范围。