高能电击氟化盐刻蚀秒级制备二维MXene材料的方法

本发明属于二维材料，涉及一种高能电击氟化盐刻蚀秒级制备二维mxene材料的方法。

背景技术：

1、mxene材料，是由其母相max相(其中m代表钛、铌、钒等过渡金属，a代表铝或硅，x代表碳或氮)通过选择性刻蚀a层元素，后续再经过离子的插层、剥离处理获得的。mxene材料有着过渡金属碳化物的高导电性，而且由于mxene的结构是由过渡金属原子和碳、氮原子以分层方式排列，故其也具备了成分多样化和结构可调控的优点，这也使mxene在多个领域已经有较广泛的应用。

2、以最常见的一种mxene材料(ti3c2tx)为例，目前常见的获取方式是由其母体(ti3alc2)通过至上而下的刻蚀获取。其中氢氟酸的腐蚀刻蚀作为最早制备ti3c2txmxene材料的方法一直沿用至今，但是氢氟酸具有强腐蚀性，环境危害性大并且仅能获得多层mxene，该方法不利于规模化生产。后续也推出了使用氟盐原位生成氟化氢的方法对max相进行刻蚀，虽然刻蚀过程中可以利用阳离子插层的方式扩大层间距，但是刻蚀时效性较低，并且对于许多较难刻蚀的max相仍未有较好的解决方案。

技术实现思路

1、本发明针对上述技术问题，提供一种高能电击氟化盐刻蚀秒级制备二维mxene材料的方法，通过高能电击，使自由电子破坏max结构中较弱的m-a键，同时由于材料的内阻存在会在内部产生焦耳热，氟盐在高温下以熔融态存在并对a原子进行腐蚀进而结合成熔点更低的氟化物，从而在高温中气化逸出实现a原子逃逸和max相向着mxene相转变。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种高能电击氟化盐刻蚀秒级制备二维mxene材料的方法，包括以下步骤：

4、1)将母相max粉末和氟盐进行研磨混合后装入高能电击装置的石英管中，在石英管两端插入石墨电极，压实材料使其与电极紧密接触；

5、2)高能电击装置的电容器充电完成后，打开放电按钮，进行高能电击，发生闪光现象后反应结束，补充氟盐后重复电击1～3次；

6、3)将电击后的产物进行研磨并用酸洗涤，使用去离子水洗涤至中性后进行静置或离心分层，上层得到mxene二维材料。

7、本发明技术方案中所述母相max粉末选自钛碳化铝、钒碳化铝、铌碳化铝、钛碳化硅或钛碳化锡。

8、本发明技术方案中所述氟盐选自氟化锂、氟化钠、氟化铵或氟氢化铵。高能电击下会在0.1s内产生3000k的高温，而氟化锂熔点为845℃，氟化钠熔点为993℃，氟化铵熔点为98℃，氟氢化铵熔点为124℃，均可在焦耳热产生瞬间被熔化。al原子的沸点为2327℃，而氟化锂的沸点为1537℃，更容易气化逃逸，游离态的氟离子与较难气化的a原子结合形成新的氟化物。

9、本发明技术方案中所述母相max粉末和氟盐总量的质量比为1：1～3。

10、本发明技术方案中每100mg原料对应电击能量为50～800j。

11、值得说明的是，本发明采用的高能电击装置为申请公布号为cn 113258159 a公开的一种再生锂离子电池电极材料的装置，调整石英管尺寸如下：直径4mm，壁厚2mm，长度60mm，通过实验该装置可用于对母相max材料进行高能电击，以获得mxene二维材料。高能电击时根据反应物质量所需能量计算本次反应所需能量，利用公式设置充电电压和电容器的数量。高能电击装置可选择n个电容器以串联或并联的方式调整反应电压，当反应材料增多时，可以选择更大的反应器进行反应，由于高温容易使max相分解相变，为了防止瞬间产生高温使反应器破裂及发生不可控副反应，应将能量控制在800j以内。

12、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

13、1、瞬间高能电压改变化学键的环境

14、无论是化学刻蚀还是使用熔盐刻蚀的方法，其目的均是破坏掉max相中的m-a化学键，从而实现后续分离二维片层的目的，而高压直流电场会使材料的化学键出现破损甚至断裂，可以通过调整合适的能量输出来控制破坏m-a金属键。

15、2、熔融态氟盐辅助a原子的快速逃逸

16、选择阳离子熔点低的氟盐，在高温状态下的氟盐呈熔融态，阳离子气化挥发，而氟离子能够和a原子结合形成熔点比a原子低的离子化合物。在焦耳热的作用下气化点较低的物质更容易气化逸出，进而实现max结构中a原子的更快逃逸。

17、3、瞬间的高温在层间能够实现微观爆炸式反应

18、在瞬间(秒级)的反应进程中，由于温度的剧烈变化，氟盐的阳离子以及a原子气化更容易发生，膨胀的气体能够使层间距离进一步提升。同时熔融态的氟能够进入到更深的层间，进一步腐蚀max层状结构的内部，提供更多的mxene产量。

19、4、瞬间的高能电击具有更快的刻蚀效率由于反应在瞬间完成，同时可以进行快速重复，故可通过重复电击来获得较大产量的mxene材料，并且电击所需能量通过电容器储存，仅需瞬间的高能电流。相较于目前常见的刻蚀方式，该方法具有更低的综合能耗和更快的刻蚀效率。

20、5、本发明可通过调整输入能量来匹配不同的max材料，同时充分混合氟盐和max相材料能够利用氟离子的腐蚀作用降低化学键断裂的整体热量，有效抑制max晶体的分解，同时，由于反应时间快，可有效抑制mxene的高温氧化，具有更好的应用前景。

技术特征：

1.一种高能电击氟化盐刻蚀秒级制备二维mxene材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述母相max粉末选自钛碳化铝、钒碳化铝、铌碳化铝、钛碳化硅或钛碳化锡。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氟盐选自氟化锂、氟化钠、氟化铵或氟氢化铵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述母相max粉末和氟盐总量的质量比为1：1~3。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每100 mg原料对应电击能量为50~800 j。

技术总结
本发明属于二维材料技术领域，涉及一种高能电击氟化盐刻蚀秒级制备二维MXene材料的方法，包括以下步骤：1）将母相MAX粉末和氟盐进行研磨混合后装入高能电击装置的石英管中，在石英管两端插入石墨电极，压实材料使其与电极紧密接触；2）高能电击装置的电容器充电完成后，打开放电按钮，进行高能电击，发生闪光现象后反应结束，补充氟盐后重复电击2~3次；3）将电击后的产物进行研磨并用酸洗涤，使用去离子水洗涤至中性后进行静置或离心分层，上层得到MXene二维材料。本发明通过高能电击，使反应在瞬间完成，具有更低的综合能耗和更快的刻蚀效率，由于反应时间快，可有效抑制MXene的高温氧化，具有更好的应用前景。

技术研发人员：方永正,崔鹏辉,曹殿学,董澍,朱凯,周震,刘一漾
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7