一种碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法与流程

本发明属于纳米功能材料制备技术领域,具体涉及一种碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法。

背景技术：

MXene作为一类新型二维纳米材料于2011年首次报道，主要通过氧氟酸选择性的腐蚀除去原料MAX相中的A成分制备得到。MXene是一种新型过渡金属碳化物二维材料，具有类石墨烯结构，由于其独特的二维层状结构、较大的比表面积、良好的电容性和亲水性，使其在功能陶瓷、吸波材料、超级电容器，离子电池等领域有了初步应用。碳纳米材料具有低密度、高强度、高比表面积、优异的热和化学稳定性以及良好的电化学性质，成为相关人员的研究热点。由于特殊形状和大小，碳纳米颗粒被引入到其他物质中作为改性增强物质，已广泛应用于吸波，吸附，催化，电化学等领域。

MXene材料本身得到了较为广泛的研究，但MXene材料特性单一、表面缺陷较多、层间距小等缺点限制了该材料的进一步应用。将碳纳米材料引入到MXene材料层间和表面能够极大地增加其比表面积，进一步提高MXene片层的利用率；所得复合材料兼具碳纳米材料特性，可增强MXene材料导电性质和介电性质，拓展MXene材料的应用空间。

虽然现阶段关于MXene的相关工作发展迅猛，但是关于其组装的工作并不多，将碳纳米材料引入到Mxene材料中尚未有专利报道。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法，针对MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料特性单一、表面缺陷较多、层间距小等缺点。

技术方案

一种碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将MAX陶瓷粉料浸没在质量分数为10～40wt％的HF溶液中，MAX浓度为0.05～0.1g/ml；然后在温度20～65℃之下磁力搅拌反应10～120h；

采用去离子水离心洗涤至溶液pH值为7，真空抽滤得到固态物质，40～80℃真空干燥8～40h，得到二元层状纳米材料MXene；

步骤2：将MXene置于单糖溶液中，超声分散0.5～24h，在真空条件下浸渍2～10h得到混合溶液；

所述单糖溶液为浓度为0.1～1mol/L的单糖溶液；所述MXene与单糖质量比为0.1～2；

步骤3：将混合溶液导入水热反应釜内胆中，升温至150～220℃，保温2～20h，反应结束后自然冷却到室温得到沉淀产物；所述反应釜内胆填充度为60～80％；

步骤4：将所得沉淀产物用去离子水离心洗涤至溶液pH值为7，真空抽滤得到固态样品，在40～100℃真空干燥8～40h，即得到碳纳米颗粒分布在MXene材料的层间与表面的碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。

所述单糖溶液采用超声分散得到均匀单糖溶液。

所述单糖可为果糖或葡萄糖。

所用MAX陶瓷粉料粒径为0.1～30μm，纯度≥98％。

当MAX陶瓷粉料为Ti₃AlC₂或Ti₂AlC时，得到的二元层状纳米材料Mxene为Ti₃C₂或Ti₂C。

有益效果

本发明提出的一种碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法，采用水热法将碳纳米颗粒在MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料层间和表面生成，包括：二维层状碳化钛纳米材料MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)的氢氟酸腐蚀制备；经超声，真空浸渍，水热等步骤处理原料MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)和单糖，使碳纳米颗粒在MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料层间和表面生成，即得到碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。其方法简单高效适合大量制备。获得的复合材料增强了单一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的力学性能，提高其结构稳定性；复合材料有效地增大了MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的比表面积，并使其兼具碳纳米材料的特殊性质，具有具有更加优异的介电及电化学性质。因此碳纳米颗粒/二维层状碳化钛纳米复合材料的性能优于单一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料，其应用将更加广泛。

通过该方法制备的复合材料弥补了单一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的缺点，兼具二维纳米碳化钛材料与碳纳米材料的特性。该方法具有原料无毒无污染、成本低廉、制备工艺简单、反应可控等优点。

附图说明

图1是本发明方法的工艺流程图

图2(a)为MXene的SEM图谱；图2(b)为MXene负载碳纳米颗粒的SEM图谱

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施实例一

本实施例包括以下步骤：

(1)称量10g Ti₃AlC₂陶瓷粉料，浸没在200ml浓度为40wt％HF溶液中常温下磁力搅拌反应80h；将所得溶液用去离子水洗涤至pH约为7，抽滤成固体粉体，80℃真空干燥40h，即得到MXene(Ti₃C₂)纳米材料。其形貌如图2(a)所示。

(2)取1.26g葡萄糖溶解于70ml去离子水中，超声分散5h，获得单糖溶液；将0.63g步骤二所获得的二维层状材料MXene(Ti₃C₂)加入到配制好的葡萄糖溶液之中，超声分散24h，真空浸渍10h；

(3)将浸渍好的溶液置于水热反应釜中在180℃下反应6h，所述反应釜内胆填充度为60～80％；

(4)将所得产物用去离子水离心洗涤至溶液pH值约为7，真空抽滤得到固态样品，在100℃真空干燥40h，即得到碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。其形貌如图2(b)所示。

实施实例二

本实施例包括以下步骤：

(1)称量1g Ti₂AlC陶瓷粉料,浸没在10ml浓度为10wt％HF溶液中40℃下磁力搅拌反应10h；将所得溶液用去离子水洗涤至pH约为7，抽滤成固体粉体，40℃真空干燥8h，即得到MXene(Ti₂C)纳米材料。

(2)取5g葡萄糖溶解于30ml去离子水中，超声分散0.5h，获得葡萄糖溶液，将0.5g步骤二所获得的二维层状材料MXene(Ti₂C)加入到配制好的葡萄糖溶液之中，超声分散0.5h，真空浸渍4h；

(3)将浸渍好的溶液置于水热反应釜中在150℃下反应10h；所述反应釜内胆填充度为60～80％；

(4)将所得产物用去离子水离心洗涤至溶液pH值约为7，真空抽滤得到固态样品，在80℃真空干燥8h，即得到碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。

实施实例三

本实施例包括以下步骤：

(1)称量20g Ti₃AlC₂陶瓷粉料,浸没在400ml浓度为30wt％HF溶液中65℃下磁力搅拌反应120h；将所得溶液用去离子水洗涤至pH约为7，抽滤成固体粉体，60℃真空干燥24h，即得到MXene(Ti₃C₂)纳米材料。

(2)取4g果糖溶解于30ml去离子水中，超声分散2h，获得果糖溶液，将1g步骤二所获得的二维层状材料MXene(Ti₃C₂)加入到配制好的果糖溶液之中，超声分散10h，真空浸渍2h；

(3)将浸渍好的溶液置于水热反应釜中在220℃下反应20h；所述反应釜内胆填充度为60～80％；

(4)将所得产物用去离子水离心洗涤至溶液pH值约为7，真空抽滤得到固态样品，在100℃真空干燥20h，即得到碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。

实施实例四

本实施例包括以下步骤：

(1)称量10g Ti₂AlC陶瓷粉料,浸没在200ml浓度为20wt％HF溶液中20℃下磁力搅拌反应20h；将所得溶液用去离子水洗涤至pH约为7，抽滤成固体粉体，50℃真空干燥30h，即得到MXene(Ti₂C)纳米材料。

(2)取4g果糖溶解于60ml去离子水中，超声分散2h，获得果糖溶液；将2g步骤二所获得的二维层状材料MXene(Ti₂C)加入到配制好的果糖溶液之中，超声分散10h，真空浸渍5h；

(3)将浸渍好的溶液置于水热反应釜中在200℃下反应20h；所述反应釜内胆填充度为60～80％；

(4)将所得产物用去离子水离心洗涤至溶液pH值约为7，真空抽滤得到固态样品，在70℃真空干燥20h，即得到碳纳米颗粒/二维层状碳化钛复合材料。