一种钛矿渣资源化利用制备MXene的方法与流程

本发明是属于环境资源化利用领域，特别是关于一种钛矿渣资源化利用制备mxene的方法。

背景技术：

1、我国钒钛磁铁矿丰富，钛矿渣则是其冶炼生铁时产出的工业固废。钛矿渣的主要化学成分中，tio2含量普遍在10％以上，有的甚至超过20％，由于钛含量偏高，钛矿渣不能直接用于生产矿渣硅酸盐水泥；又因其钛品位不够高，难以用于钛工业的原料。大量的钛矿渣得不到合理利用，不仅造成资源浪费，堆场占地面积巨大，而且污染环境。目前，钛矿渣、钛钒矿渣、钒矿渣的资源化利用主要是用于建设工程中。但这些矿渣作为骨料在普通混凝土中应用价值或工业附加值极低，其资源和功能属性并未得到充分发挥。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对目前钛矿渣资源化利用应用价值或工业附加值极低的难题，提供一种钛矿渣资源化利用制备mxene的方法，以低价值的钛矿渣为原料，利用其中的钛元素合成高附加值的mxene材料。本发明挖掘了钛矿渣的应用价值，为钛矿渣的资源化利用提供一种高工业附加值的应用方向。

2、本发明第一方面提供的一种钛矿渣资源化利用制备mxene的方法，所述方法包括：将钛矿渣、碳氢化物和/或氮气、和卤化氢气体和/或卤单质气体，加热至反应温度，冷却后得到固态产物，所述固态产物中含有mxene材料。

3、在一些实施例中，上述碳氢化物为烷烃、烯烃或炔烃中的一种或多种。

4、在一些实施例中，上述碳氢化物为气态。

5、在一些实施例中，上述卤化氢气体选自hcl、hbr或hi；所述卤单质气体选自cl2、br2或i2。

6、在一些实施例中，上述方法中的原料含有碳材料。

7、在一些实施例中，上述烷烃选自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷中的一种或多种。

8、在一些实施例中，上述烯烃选自乙烯、丙烯、丁烯中的一种或多种。

9、在一些实施例中，上述炔烃选自乙炔、甲基乙炔。

10、在一些实施例中，上述矿渣中的钛氧化物质量含量≥10％；更优选地，≥20％；

11、在一些实施例中，上述钛矿渣中含有钒氧化物；

12、在一些实施例中，上述钛矿渣选自钒钛磁铁矿高炉冶炼产生的含钛高炉渣、预还原电炉熔分产生的熔分钛渣或预还原磨选分离得到富钛渣中的一种或多种。

13、在一些实施例中，上述方法更具体地步骤包括：将钛矿渣粉体放入高温炉中加热至反应温度后，通入气态的碳氢化物和卤化氢气体并保温预定时间后，冷却至常温得到固态产物。

14、在一些实施例中，上述方法更具体地步骤包括：将钛矿渣粉体和碳粉放入高温炉中加热至反应温度后，通入氯气并保温预定时间后，冷却至常温得到固态产物。

15、在一些实施例中，上述方法还包括纯化步骤，以除去固态产物中的杂质。

16、在一些实施例中，上述纯化步骤包括：将反应后得到的所述固态产物加酸溶液中清洗后再加入，将反应后得非水溶剂中分散，再通过沉淀或离心分离。

17、在一些实施例中，上述酸溶液选自盐酸、硫酸、氢氟酸、磷酸或硝酸中的一种或多种。

18、在一些实施例中，所述非水溶剂选自碳酸丙烯(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。

19、在一些实施例中，上述反应温度介于500℃至1500℃，优选地，介于650至900℃；和/或，在反应温度下的保温时间介于1min至24h；优选地，介于30min至4h。

20、在一些实施例中，上述mxene材料的化学式为m2xtx或m2x，m代表钛和/或钒；x代表碳和/或氮，t代表官能团，所述t包括：cl、br、i中的至少一种，0＜x≤2。

21、本发明第二方面提供一种上述的方法得到的所述的mxene材料在能源、催化、吸附分离、传感探测、电磁屏蔽、生物医用、气体存储、吸波材料、耐腐蚀材料、或超导材料的应用。

22、本发明第三方面提供一种矿渣作为制备mxene材料的原料的用途，所述矿渣中含有钛氧化物和/或钒氧化物；优选地，所述矿渣中的钛氧化物的质量含量≥10％；更优选地，≥20％，再优选地，≥50％；或，所述矿渣选自钒钛磁铁矿高炉冶炼产生的含钛高炉渣、预还原电炉熔分产生的熔分钛渣或预还原磨选分离得到富钛渣中的一种或多种。

23、本发明提供一种以钛矿渣为原料气相法制备mxene的方法，一方面为工业废料钛矿渣提供了一种新的资源化利用方向。另一方面，降低了mxene材料的合成成本，包括利用了钛矿渣中的钛、钒等过渡金属元素，降低了mxene材料合成的原料成本；制备过程采用气相原料(气态卤族氢化物或单质)，直接合成得到mxene材料，避免了以max相的合成以及max相为前驱体液相刻蚀步骤，简化了制备工艺。

技术特征：

1.一种钛矿渣资源化利用制备mxene的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳氢化物为烷烃、烯烃或炔烃中的一种或多种；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述烷烃选自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷中的一种或多种；

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿渣中的钛氧化物质量含量≥10％；更优选地，≥20％；

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法更具体地步骤包括：

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括纯化步骤，以除去固态产物中的杂质；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酸溶液中清洗后再加入，将反应后得非水溶剂中分散，再通过沉淀或离心分离；

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应温度介于500℃至1500℃，优选地，介于650至900℃；

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，所述mxene材料的化学式为m2xtx或m2x，m代表钛和/或钒；x代表碳和/或氮，t代表官能团，所述t包括：cl、br、i中的至少一种，0＜x≤2。

9.一种如权利要求1至8任一项所述的方法得到的所述的mxene材料在能源、催化、吸附分离、传感探测、电磁屏蔽、生物医用、气体存储、吸波材料、耐腐蚀材料、或超导材料的应用。

10.一种矿渣作为制备mxene材料的原料的用途，其特征在于，所述矿渣中含有钛氧化物和/或钒氧化物；优选地，所述矿渣中的钛氧化物的质量含量≥10％；更优选地，≥20％，再优选地，≥50％；

技术总结
本发明公开了一种钛矿渣资源化利用制备MXene的方法，该方法包括：将钛矿渣、碳氢化物和/或氮气、和卤化氢气体和/或卤单质气体，加热至反应温度，冷却后得到固态产物，所述固态产物中含有MXene材料。本发明以低价值的钛矿渣为原料，利用其中的钛元素合成高附加值的MXene材料。本发明挖掘了钛矿渣的应用价值，为钛矿渣的资源化利用提供一种高工业附加值的应用方向。

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