一种终端基团可控的MXenes材料及制备方法

本技术涉及mxenes二维材料的制备方法，更具体地说，它涉及一种利用等离子体刻蚀和修饰技术制备终端基团可控的mxenes材料的方法。

背景技术：

1、当前二维材料由于具有独特的二维层状结构，展现出离子传输路径短、比表面积大、力学性能优良等优点，这与储能器件对电极材料的要求十分契合，因而在储能领域被寄予厚望。其中，新型二维过渡金属碳化物或氮化物(mxenes)具有亲水表面、赝电容特性以及高导电性等优点，被广泛应用于吸波、储能、催化等领域。目前对于mxenes的研究主要集中于mxenes复合结构调控及其在能源领域的应用，而对mxenes的性质起重要作用的刻蚀方法及其终端基团调控并没有足够的重视。碳化钛ti3c2tx mxenes在2011年首先被合成，也是被广泛研究的一类mxenes。目前传统mxenes制备采用的湿化学法(液-固反应)和熔盐法(准液-固反应)存在安全性低、终端基团可控性差、反应周期长和刻蚀后续工序复杂(需后续酸/碱/水洗工序)等缺点，严重阻碍了mxenes的大规模应用。因此，设计出一种绿色高效，终端基团可控的mxenes制备方法成为这一领域研究发展突破的关键。

2、当前mxenes二维材料制备方法存在的主要缺点是：第一，制备单层纳米薄片的效率与产率较低；第二，纯相mxenes制备难度高，易掺杂杂原子终端基团，难以调控种类与比例；第三，制备工艺复杂，一般需后续酸/碱/水洗工序，对环境不友好；第四，反应过程较为危险，成本较高，不利于大规模生产。

技术实现思路

1、本公开提供了一种终端基团可控的mxenes材料的制备方法，纯度与产率都大大提高，并且可精准调控表面终端基团。

2、第一方面，本公开提供一种终端基团可控的mxenes材料，可控终端基团mxenes材料的化学组成表达式为：mn+1xntx，其中m代表前过渡金属元素(sc、ti、v、nb、mo等)，x代表c或/和n元素，tx代表cl/br/i/n/s/p/si等终端基团基团中的一种或多种，所述mxenes材料包括ti3c2tx、ti2ctx、ti3cntx、ti2ntx、ti4n3tx、ti2(cn)tx、(ti，v)2ctx、(ti，nb)2ctx、(ti，nb)4c3tx、(ti,v,zr,nb,ta)2ctx、tivnbmoc3tx、tivcrmoc3tx、mo3c2tx、mo2ctx、mo2ntx、mo1.33ctx、(mo,v)4c3tx、(mo2sc)c2tx、(mo2ti)c2tx、mo2ti2c3tx、(mo4v)c4tx、mo1.33y0.66ctx、v2ctx、v2ntx、v4c3tx、nb2ctx、nb1.33ctx、nb4c3tx、(nb,zr)4c3tx、cr2ctx、(cr2v)c2tx、vcrctx、(cr2ti)c2tx、ta4c3tx、ta2ctx、ti4n3tx、ti2ntx、(ta,ti)3c2tx、w1.33ctx、zr3c2tx、zr2ctx、hf3c2tx、hf2ctx、hf2ntx。

3、所制备的单片层mxenes与传统的刻蚀方法相比，纯度与产率都大大提高，并且可精准调控表面终端基团(种类和比例)。制备过程操作简单，无需后续酸/碱/水洗工序；制备过程中避免了含氧基团的吸附干扰，采用无介质刻蚀反应，刻蚀过程无其它官能团引入；所制备的mxenes厚度与尺度大小均匀，刻蚀效率高，并且制备出的合成时间短，反应在十几分钟内完成。

4、第二方面，本公开提供一种终端基团可控mxenes的制备方法，包括以下步骤：

5、s1：按照化学计量比称取100g原料粉末，在室温下以300-600rpm min-1转速下球磨4-6h，结束后样品转移至氧化铝坩埚中，然后放入管式炉内，在氩气环境中，以5℃min-1的速率升温至指定的反应温度为1300-1600℃，反应5-10h后，随炉冷却至室温，得到的反应产物即为max相粉末；

6、s2：取1-50gmax相粉末置于等离子处理机中，等离子体处理之前需预先通入高纯度ar清洗3-4次；气路切换到刻蚀气体进行等离子体处理，得到cl/br/i/si等卤素终端的mxenes材料，具体的等离子体处理工艺参数如下：输出功率100-300w，反应温度为10-60℃，反应时间为5-30min，转速为50-200rpmmin-1，气体流速为50-200ml min-1；

7、s3：取1-50g卤素终端mxenes粉末置于等离子处理机中，将输入的气体换成nh3/h2s/ph3/sih4等一种或者多种进行等离子体取代反应，得到tx＝n/s/p/si等终端mxenes材料，具体的等离子体处理工艺参数如下：输出功率100-300w，反应温度为10-60℃，反应时间为5-30min，转速为50-200rpm min-1，气体流速为50-200ml min-1。

8、本技术制备总过程反应条件温和，反应安全性高，极大推动了mxenes的大规模制备。

9、优选的，所述s1中所述max的种类包括：ti3alc2、ti3sic2、ti3znc2、ti2alc、ti2znc、ti2pbc、ti3alcn、ti2aln、ti2sin、ti4aln3、ti2al(cn)、(ti,v)2alc、(ti,nb)2alc、(ti,nb)2sic、(ti,nb)4alc3、(ti,v,zr,nb,ta)2alc、tivnbmoalc3、tivcrmoalc3、mo3alc2、mo2alc、mo2aln、(mo2/3sc1/3)2alc,、(mo,v)4sic3、(mo,v)4alc3、(mo2sc)alc2、(mo2ti)alc2、mo2ti2alc3、(mo4v)alc4、(mo4v)sic4、(mo2/3y1/3)2alc、v2alc、v2sic、v2aln、v2sin、v4alc3、nb2alc、nb2snc、nb2inc、(nb2/3sc1/3)2alc、nb4alc3、(nb,zr)4alc3、cr2alc、(cr2v)alc2、vcralc、(cr2ti)alc2、ta4alc3、ta2alc、ti4aln3、ti2aln、(ta,ti)3alc2、(w2/3r1/3)2alc(r＝gd,tb,dy,ho,er,tm,lu)、zr3snc2、zr2snc、zr2inc、hf3sic2 hf2inc、hf2snn。

10、优选的，所述s2中的所述刻蚀气体为hcl、cl2、bcl4、hbr、br2、hi、i2中的一种或者多种气体。

11、优选的，所述s1中的所述原料粉末为ti粉、si粉和c粉，所述原料粉末的摩尔比为3:1-1.3:2。

12、优选的，所述s1中的所述原料粉末为ti粉、al粉和c粉，所述原料粉末的摩尔比为3:1-1.3:2。

13、优选的，所述s1中的所述原料粉末为v粉、si粉和c粉，所述原料粉末的摩尔比为2:1-1.2:1。

14、优选的，所述s1中的所述原料粉末为nb粉、sn粉和c粉，所述原料粉末的摩尔比为2:1-1.2:1。

15、优选的，所述s1中的所述球磨原料为粉料、玛瑙球和无水乙醇，按所述粉料：所述玛瑙球：所述无水乙醇球磨介质质量比为1-2：3-4：1-2分别加入玛瑙球和无水乙醇球磨介质。

16、综上所述，本技术具有以下有益效果：

17、1、由于本技术中所制备的单片层mxenes与传统的刻蚀方法相比，纯度与产率都大大提高，并且可精准调控表面终端基团(种类和比例)；

18、2、本技术中。制备过程操作简单，无需后续酸/碱/水洗工序；制备过程中避免了含氧基团的吸附干扰，采用无介质刻蚀反应，刻蚀过程无其它官能团引入；所制备的mxenes厚度与尺度大小均匀，刻蚀效率高，并且制备出的合成时间短，反应在十几分钟内完成；

19、3、本技术备总过程反应条件温和，反应安全性高，极大推动了mxenes的大规模制备。

20、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开的保护范围。