一维MXene材料及其制备方法和应用与流程

本发明是属于新材料领域，主要是关于一维mxene材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、2011，gogotsi首次采用hf刻蚀ti3alc2得到ti3c2，一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，由于其和石墨烯graphene类似，便取名mxene。其化学式一般记为mn+1xntx(m是过渡金属，包括ti、v、cr、y、sc、zr、nb、mo、hf、ta、w)，x是c和(或)n，n＝1，2或3，t是表面官能团。mxene独特的晶体性质、层状结构、较高的金属导电性和表面丰富的官能团使得mxene在储能、电磁屏蔽、传感、催化等领域有着巨大的应用前景。

2、最常用的制备mxene的方法是用氢氟酸(hf)刻蚀max相，也有利用lif+hcl体系刻蚀，刻蚀产物经过液相剥离后得到二维mxene片层，因此，mxene材料在公知常识中也是一类典型的二维材料。

技术实现思路

1、本发明第一方面提供一种一维形貌的mxene及其制备方法，所述制备方法包括：将过渡金属的单质或氧化物、碳纳米管或碳纤维、和卤族氢化物或卤族单质气体加热至反应温度保温预定时间得到，所述产物中含有一维mxene材料。

2、在一些实施例中，上述过渡金属选自：ti、v、cr、y、sc、zr、nb、mo、hf、ta、w元素中的一种或多种。

3、在一些实施例中，上述卤化氢气体选自hcl、hbr或hi。

4、在一些实施例中，上述卤素单质气体选自cl2、br2或i2。

5、在一些实施例中，上述反应温度介于650至1500℃；优选地，介于650至900℃。

6、在一些实施例中，上述保温预定时间介于1min至24h；优选地，介于1h至3h。

7、在一些实施例中，上述产物中含有过渡金属碳化物mcz，其中m代表过渡金属元素，c代表碳元素，0.5≤z≤1。

8、在一些实施例中，上述制备方法还包括纯化步骤；更具体地，所述纯化步骤包括：将反应后得到的所述固态产物加入非水溶剂中分散，并通过沉淀或离心分离。

9、在一些实施例中，上述非水溶剂选自碳酸丙烯酯(pc)、二甲基亚砜(dmso)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、乙腈(acn)、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n-甲基甲酰胺(nmf)、异丙醇(ipa)中的一种或多种。

10、在一些实施例中，上述mxene材料的化学式为m2xtx或m2x，m代表过渡金属元素；x代表碳元素，t代表官能团，所述t包括：cl、br、i中的至少一种；0＜x≤2。

11、在一些实施例中，上述化学式中m选自ti、v、cr、y、sc、zr、nb、mo、hf、ta、w元素中的一种或多种。

12、本发明第二方面提供一种上述的制备方法得到的一维mxene材料。

13、本发明第三方面提供一种上述的一维mxene材料在能源、催化、吸附分离、传感探测、柔性器件、电磁屏蔽、吸波中的应用。

14、本发明第四方面提供一种碳纤维表面改性的方法，所述方法步骤包括：将过渡金属的单质或氧化物、碳纤维、和卤族氢化物或卤族单质气体加热至反应温度保温预定时间。

15、在一些实施例中，上述过渡金属选自：ti、v、cr、y、sc、zr、nb、mo、hf、ta、w中的一种或多种。

16、在一些实施例中，上述卤化氢气体选自hcl、hbr或hi。

17、在一些实施例中，上述卤素单质气体选自cl2、br2或i2。

18、在一些实施例中，所述反应温度介于650至1500℃；优选地，介于600至900℃。

19、在一些实施例中，设定保温预定时间介于1min至24h；优选地，介于1h至3h。

20、本发明的有益技术效果在于以过渡金属的单质或氧化物、碳纳米管或碳纤维、和卤族氢化物或卤族单质气体为原料通过气相法合成得到了常规制备方法难以得到的一维mxene材料，碳纳米管或碳纤维在反应过程中作为合成mxene的碳源，同时又作为mxene气相生长的模板。本发明的方法无需前驱体max相刻蚀步骤，直接气相合成得到了mxene材料，无需合成max相以及刻蚀、清洗等繁杂的步骤，简化了mxene材料的生产工艺。本发明的方法可在开放体系下实施，避免了封管步骤，使得制备过程更简易；加热反应温度更低，能耗更小；使用原料更易于获取；具有工业化放大前景。

技术特征：

1.一种一维mxene材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将过渡金属的单质或氧化物、碳纳米管或碳纤维、和卤族氢化物或卤族单质气体加热至反应温度保温预定时间得到，所述产物中含有一维mxene材料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属选自：ti、v、cr、y、sc、zr、nb、mo、hf、ta、w元素中的一种或多种；

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述反应温度介于650至1500℃；优选地，介于650至900℃。

4.如权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括纯化步骤；更具体地，所述纯化步骤包括：将反应后得到的所述固态产物加入非水溶剂中分散，并通过沉淀或离心分离；

5.如权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述mxene材料的化学式为m2xtx或m2x，m代表过渡金属元素；x代表碳元素，t代表官能团，所述t包括：cl、br、i中的至少一种；0＜x≤2；

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的制备方法得到的一维mxene材料。

7.一种如权利要求6所述的一维mxene材料在能源、催化、吸附分离、传感探测、柔性器件、电磁屏蔽、吸波中的应用。

8.一种碳纤维表面改性的方法，其特征在于，所述方法步骤包括：将过渡金属的单质或氧化物、碳纤维、和卤族氢化物或卤族单质气体加热至反应温度保温预定时间。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述过渡金属选自：ti、v、cr、y、sc、zr、nb、mo、hf、ta、w中的一种或多种；

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述反应温度介于650至1500℃；优选地，介于650至900℃。

技术总结
本发明公开了一种一维MXene材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括：将过渡金属的单质或氧化物、碳纳米管或碳纤维、和卤族氢化物或卤族单质气体加热至反应温度保温预定时间得到，所述产物中含有一维MXene材料。本发明气相法合成得到了常规制备方法难以得到的一维MXene材料，碳纳米管或碳纤维在反应过程中作为合成MXene的碳源，同时又作为MXene气相生长的模板。

技术研发人员：杨运洋
受保护的技术使用者：济南三川新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10