一种导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜的制备方法与流程

本发明涉及导电材料技术领域，具体涉及一种导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜的制备方法。

背景技术：

目前，二维材料已经越来越多，由于其卓越的性能引起了广泛地研究关注，其中新型二维层状过渡金属碳化物mxene，越来越引起人们的注意。具有层状结构的金属碳化物mxene是2011年yurygogotsi等首先报道(adv.mater.,2011,23:4248-4253)的一种新型二维纳米材料，具有良好的导电性、化学稳定性和力学性能。已在储能、吸附、传感器、导电填充剂等领域展现出巨大的潜力。随着21世纪电子器件将朝着轻便、易携带等方向发展，因此柔性碳化钛导电薄膜必将成为研究的热点，并逐步占领市场主导地位。柔性透明导电薄膜可应用于柔性触摸屏、柔性太阳能电池、柔性显示器等领域。基于柔性导电薄膜的广大应用前景，对于柔性导电薄膜的研究也将进入新的更深领域。

二维层状金属碳化物mxene的制备已经较为成熟，然而对单层或者少层的碳化钛导电膜的研究还很少。

基于上述研究成果及存在的问题，本发明提出一种导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜的制备方法，采用一种新的超声粉碎-真空抽滤法，制备出导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜的制备方法。本发明制备工艺简单高效，有很好的应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)金属碳化钛分散液的配制：称取一定量的多层碳化钛及无水乙醇，将碳化钛分散在无水乙醇中；

(2)对金属碳化钛分散液进行插层处理：称取一定量的二甲基亚砜溶液于锥形瓶中，将步骤(1)制得的碳化钛分散液转移至锥形瓶中，加热搅拌数小时；

(3)对金属碳化钛分散液进行离心处理：将步骤(2)中制得的碳化钛分散液进行离心处理，把含有二甲基亚砜的上清液倒掉，用无水乙醇洗数遍，真空干燥处理；

(4)碳化钛导电膜的制备：将步骤(3)中制得的碳化钛粉末溶于一定量的无水乙醇中配成分散液，然后在冰浴条件下进行超声粉碎处理一定时间，最后将分散液真空抽滤成膜，得到碳化钛导电薄膜。

优选的，步骤(1)所述二维层状过渡金属碳化物为ti3c2，ti2c，ti4c3中的一种或几种，进一步优选为ti3c2。

优选的，步骤(1)所述的碳化钛在分散液中的浓度为1～4mg/ml。

优选的，步骤(1)所述的多层碳化钛的量为6-24mg。

优选的，步骤(1)所述的无水乙醇的量为4-8ml，进一步优选为6ml。

优选的，步骤(2)所述的二甲基亚砜溶液的量为60-100ml，进一步优选为80ml。

优选的，步骤(2)所述的搅拌速度为200-400rpm，进一步优选为300rpm。

优选的，步骤(2)所述的搅拌温度为50-70℃，进一步优选为60℃。

优选的，步骤(2)所述的搅拌时间为3-5h，进一步优选为4h。

优选的，步骤(3)所述的离心转速为1000-2000rpm，进一步优选为1500rpm。

优选的，步骤(3)所述的离心次数为2-4次，进一步优选为3次。

优选的，步骤(3)所述的真空干燥温度为50-70°，进一步优选为60℃；干燥时间为6-18h，进一步优选为12h。

优选的，步骤(4)所述的无水乙醇的量为4-8ml，进一步优选为6ml。

优选的，步骤(4)所述的碳化钛在分散液中的浓度为1～4mg/ml。

优选的，步骤(4)所述的碳化钛分散液的超声粉碎时间为1-3h，进一步优选为2h。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

本发明的方法可制备出导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜，改善了传统工艺制备的层状碳化钛片层太厚导电效果不佳的缺点，且本发明制备工艺简单高效，有很好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1所得单片层碳化钛的扫描电镜图片。

图2为多片层碳化钛的扫描电镜图片。

图3为单片层碳化钛和多片层碳化钛的x射线衍射谱图。

图4为4个实施例以不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜表面电阻的变化关系图。

图5为4个实施例以不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜经不同弯曲次数后表面电阻的变化关系图。

具体实施方式

以下结合实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限于此。

实施例1

(1)称取6mg的多层碳化钛(ti3c2)及6ml无水乙醇，将碳化钛分散在无水乙醇中；

(2)称取80ml的二甲基亚砜于锥形瓶中，将步骤(1)制得的碳化钛分散液转移至锥形瓶中，60℃下加热搅拌4小时；

(3)将步骤(2)中制得的碳化钛分散液在1500rpm转速下离心3次，把含有二甲基亚砜的上清液倒掉，用无水乙醇洗3遍，60℃下真空干燥12h；

(4)碳化钛导电膜的制备：将步骤(3)中制得的碳化钛粉末溶于6ml的无水乙醇中配成浓度为1mg/ml分散液，然后在冰浴条件下进行超声粉碎处理2h，最后将分散液真空抽滤成膜，得到碳化钛导电薄膜。

本实施例所制备的导电薄膜的性能见表1。

表1

由图1单片层碳化钛的扫描电镜图片可知：多片层碳化钛经超声粉碎后出现明显的单片层结构，且单片层结构较多。

由图2多片层碳化钛的扫描电镜图片可知：未经超声粉碎处理过的碳化钛多为多片层结构，且片层之间未完全分开。

由图3单片层碳化钛和多片层碳化钛的x射线衍射谱图可知：经超声粉碎处理得到的单片碳化钛在39°的最强峰相比于未经超声粉碎处理的多片层碳化钛的在39°的最强峰基本消失，且在10°及20°处的峰更宽，峰强更弱，说明经超声粉碎处理后得到了有效的单片层碳化钛，且层间距较大。

由图4不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜表面电阻的变化关系图可知：随着碳化钛分散液浓度的增大，碳化钛导电薄膜的电阻先减小后又逐渐增大。

由图5不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜经不同弯曲次数后表面电阻的变化关系图可知：当碳化钛分散的浓度为1mg/ml时，随着弯曲次数的增加，碳化钛薄膜的电阻变化很微小，说明碳化钛薄膜的韧性很好，其表面电阻基本不受弯曲次数的影响。

实施例2

(1)称取12mg的多层碳化钛(ti3c2)及6ml无水乙醇，将碳化钛分散在无水乙醇中；

(2)称取80ml的二甲基亚砜溶液于锥形瓶中，将步骤(1)制得的碳化钛分散液转移中锥形瓶中，60℃下加热搅拌4小时；

(3)将步骤(2)中制得的碳化钛分散液在1500rpm转速下离心3次，把含有二甲基亚砜的上清液倒掉，用无水乙醇洗3遍，60℃下真空干燥12h；

(4)碳化钛导电膜的制备：将步骤(3)中制得的碳化钛粉末溶于6ml的无水乙醇中配成浓度为2mg/ml分散液，然后在冰浴条件下进行超声粉碎处理2h，最后将分散液真空抽滤成膜，得到碳化钛导电薄膜。

本实施例所制备的导电薄膜的性能见表2。

表2

由图4不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜表面电阻的变化关系图可知：随着碳化钛分散液浓度的增大，碳化钛导电薄膜的电阻先减小后又逐渐增大，且在分散液浓度为2mg/ml时，导电薄膜的电阻最小，导电性能最好。

由图5不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜经不同弯曲次数后表面电阻的变化关系图可知：当碳化钛分散的浓度为2mg/ml时，随着弯曲次数的增加，碳化钛薄膜的电阻变化很微小，说明碳化钛薄膜的韧性很好，其表面电阻基本不受弯曲次数的影响。

实施例3

(1)称取18mg的多层碳化钛(ti3c2)及6ml无水乙醇，将碳化钛分散在无水乙醇中；

(2)称取80ml的二甲基亚砜溶液于锥形瓶中，将步骤(1)制得的碳化钛分散液转移中锥形瓶中，60℃加热搅拌4小时；

(3)将步骤(2)中制得的碳化钛分散液在1500rpm转速下离心3次，把含有二甲基亚砜的上清液倒掉，用无水乙醇洗3遍，60℃下真空干燥12h；

(4)将步骤(3)中制得的碳化钛粉末溶于6ml的无水乙醇中配成浓度为3mg/ml分散液，然后在冰浴条件下进行超声粉碎处理2h，最后将分散液真空抽滤成膜，得到碳化钛导电薄膜。

本实施例所制备的导电薄膜的性能见表3。

表3

由图4不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜表面电阻的变化关系图可知：随着碳化钛分散液浓度的增大，碳化钛导电薄膜的电阻先减小后又逐渐增大。

由图5不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜经不同弯曲次数后表面电阻的变化关系图可知：当碳化钛分散的浓度为3mg/ml时，随着弯曲次数的增加，碳化钛薄膜的电阻变化很微小，说明碳化钛薄膜的韧性很好，其表面电阻基本不受弯曲次数的影响。

实施例4

(1)称取24mg的多层碳化钛(ti3c2)及6ml无水乙醇，将碳化钛分散在无水乙醇中；

(2)称取80ml的二甲基亚砜溶液于锥形瓶中，将步骤(1)制得的碳化钛分散液转移中锥形瓶中，60℃下加热搅拌4小时；

(3)将步骤(2)中制得的碳化钛分散液在1500rpm转速下离心3次，把含有二甲基亚砜的上清液倒掉，用无水乙醇洗3遍，60℃下真空干燥12h；

(4)将步骤(3)中制得的碳化钛粉末溶于6ml的无水乙醇中配成浓度为4mg/ml分散液，然后在冰浴条件下进行超声粉碎处理2h，最后将分散液真空抽滤成膜，得到碳化钛导电薄膜。

本实施例所制备的导电薄膜的性能见表4。

表4

由图4不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜表面电阻的变化关系图可知：随着碳化钛分散液浓度的增大，碳化钛导电薄膜的电阻先减小后又逐渐增大。

由图5不同浓度单片层碳化钛分散液制备的导电均匀单片层过渡金属碳化物薄膜经不同弯曲次数后表面电阻的变化关系图可知：当碳化钛分散的浓度为4mg/ml时，随着弯曲次数的增加，碳化钛薄膜的电阻变化很微小，说明碳化钛薄膜的韧性很好，其表面电阻基本不受弯曲次数的影响。