一种二维层状MXene材料的制备方法与流程

本发明涉及二维层状mxene材料的制备领域，尤其涉及利用mgf2与hcl复合刻蚀max相制备二维层状mxene的方法。

背景技术：

mxene材料中m是早期过渡金属元素，x是c、n或cn元素，又因与石墨烯(graphene)具有类似结构，所以将这类材料统称为mxene。这类材料最早是通过氢氟酸刻蚀母相三元层状材料mn+1axn(a主要是ⅲ和ⅳ主族元素，n＝1、2或3)中的a层所发现并命名。mxene材料有良好的稳定性、磁性、亲水性，在电学、光学、力学等方面的性能也非常出色，可应用于电容器、锂电池、催化剂、润滑剂等领域。

目前mxene合成工艺中刻蚀剂主要采用hf，但hf危险性高，难存放。在已有的刻蚀剂中nh4hf2、lif/hcl这两种溶剂也存在一定的弊端，nh4hf2毒性大，在热水中易分解出毒氟化物、氮氧化物和氨气体，对实验合成条件极为苛刻，lif/hcl复合溶剂作蚀刻剂，合成过程虽温和、对环境污染较小，但其刻蚀效率不高，这些刻蚀手段均不利于mxene的合成和生产。

鉴于目前市场需要，亟需一种操作安全性好，刻蚀效率较高的关于二维层状结构的mxene材料的制备方法。。

技术实现要素：

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种操作安全性好，刻蚀效率较高的关于二维层状结构的mxene材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种二维层状mxene材料的制备方法，包含如下步骤：

步骤一、将mgf2粉末与浓度为4～12mol/l的hcl溶液按照2.37g：30ml比例混合并搅拌至mgf2完全溶解，得到刻蚀剂；

步骤二、将max原料缓慢加入步骤一所得的刻蚀剂中，并在40～80℃下保温45～135h，其中max原料与所述刻蚀剂的比例为2g：30ml；

步骤三、将步骤二所得产物用去离子水离心洗净至上层溶液ph＝6，取沉淀物室温下超声分散1小时，然后烘干。

max原料是一种备受关注的新型可加工陶瓷材料，目前发现的max材料包括七十几种，构成一个庞大的体系。

作为上述技术方案的优选实施方式，本发明实施例提供的二维层状mxene材料的制备方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述步骤一中hcl溶液的优选浓度为6～8mol/l。

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，步骤二中所述max原料为研磨过筛的ti2alc。

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，步骤二中所述max原料为研磨过500目筛的ti2alc。

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述步骤三中，所述烘干过程为放置在80℃烘箱中干燥48h。

本发明利用一定浓度的mgf2与hcl混合溶液刻蚀ti2alc，溶液中的f^-与分子间作用力较脆弱的al层发生反应，同时与mg²⁺共同构成新的生成物。ti2alc失去al层后，成为mxene材料ti2c，由于水溶液中存在的-f、-oh、-h等基团迅速围绕在单层或少层的ti2c表面，形成ti2ctx(t为-f、-oh、-h等基团)。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明制备方法简单，反应过程更为温和，环境友好，无需插层，仅通过超声处理就能实现大规模剥离，获得单层二维mxene。并且电化学性能明显优于hf合成的mxene，工艺流程更简单；不像nh4hf2法那般易分解有毒氟化物、氮氧化物和氨气体，对实验条件要求苛刻；也比hcl/lif法所制得的mxene纯度高，刻蚀效率大。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为实施例2制备的mxene相ti2ctx的xrd图谱；

图2为原料ti2alc粉体的sem图谱；

图3为hf刻蚀ti2alc制备的mxene相ti2ctx的sem图谱；

图4为实施例2制备的mxene相ti2ctx的sem图谱；

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

对比例1

将2gti2alc缓慢地倒入装有10％(150g去离子水+50g40％hf)的氢氟酸(hf)塑料瓶中，待30min后反应不再剧烈时，密封室温下静置60h。随后将瓶内所有溶液取出，用去离子水反复离心洗涤至溶液ph＝6，再使用无水乙醇溶解离心管中的沉淀物，将沉淀物完全取出后置于烘箱中干燥至恒重。如图3a为10％的hf室温下刻蚀2gti2alc的sem图谱。

对比例2

将2gti2alc缓慢地倒入装有20％(50g去离子水+50g40％hf)的氢氟酸(hf)塑料瓶中，待30min后反应不再剧烈时，密封室温下静置60h。随后将瓶内所有溶液取出，用去离子水反复离心洗涤至溶液ph＝6，再使用无水乙醇溶解离心管中的沉淀物，将沉淀物完全取出后置于烘箱中干燥至恒重。如图3b为20％hf室温下刻蚀2gti2alc的sem图谱。

实施例1

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml4mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于60℃温度下保温45h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

实施例2

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml6mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于60℃温度下保温45h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。从图1中xrd图谱所示，经过刻蚀后，ti2alc的特征峰全部消失，mxene相ti2ctx晶相特征峰凸显出来。图4中(a)～(d)为实施例2条件下不同倍率的sem图谱，可以明显发现随着倍率的放大单层二维薄膜结构越容易被观察到，且这些薄膜无规则堆积在一起，晶粒细小均匀。参照图2中原料ti2alc的微观图，刻蚀后紧实的层状结构颗粒被完全刻蚀并且层与层间完全分离开，层离后又因其表面吸附的oh、o等基团之间的化学键作用力而团聚到一起。与图3中(a)10％、(b)20％的hf法刻蚀产物的sem对比可知，图3中的颗粒刻蚀程度不高，层与层之间也没能像图4中那样完全层离开来，说明实施例2的方法比hf刻蚀法更加高效，便利。

实施例3

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml8mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于60℃温度下保温45h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

实施例4

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml10mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于60℃温度下保温45h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

实施例5

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml12mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于60℃温度下保温45h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

实施例6

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml6mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于40℃温度下保温135h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

实施例7

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml6mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于80℃温度下保温45h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

实施例8

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml6mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于60℃温度下保温90h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

实施例9

称量2.37gmgf2倒入装有hcl的塑料烧杯中，磁力搅拌至白色细颗粒状mgf2完全溶解于30ml6mol/lhcl中，再将2gti2alc原料缓慢加入其中，待反应稳定后密封置于60℃温度下保温135h。将产物用去离子水反复离心洗涤，用无水乙醇溶解洗涤后的产物并超声分散1小时，最后放置于烘箱中干燥至恒重。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。