高能电击制备MXene二维材料及膨胀MAX材料的方法

本发明属于二维材料，涉及一种高能电击制备mxene二维材料及膨胀max材料的方法。

背景技术：

1、一般的二维层状材料如石墨烯、硫化钼、氮化硼等，其母相均是由层间范德华力结合，可通过超声震荡、物理切割方式直接实现片层剥离。mxene材料作为一种新兴的二维材料，是由max相(其中m代表过渡金属，比如钛、铌、钒等，a代表铝或硅，x代表碳、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。mxene材料由于其独特的导电性能以及元素多样性，目前已经被广泛应用于电极复合材料、生物医疗、电磁屏蔽等方面。

2、目前主流制备mxene(如ti3c2tx)材料的方法主要包括化学刻蚀法、熔盐刻蚀法、电化学刻蚀法。化学刻蚀法利用含氟溶液或者高浓度碱溶液作为刻蚀剂，需要花费较长时间(24～48h)刻蚀且刻蚀不彻底；熔盐刻蚀法采用路易斯酸对max相材料进行刻蚀，由于mxene材料易氧化，往往对装置的气密性要求很高，成本高，容易形成氧化的副产物；电化学刻蚀法使用盐酸溶液作为刻蚀剂，往往需要进行长时间的电化学反应，也存在无法批量生产的情况，同时电解液的损耗也影响刻蚀反应的动力学效率。因此，目前mxene材料的制备方法均存在选择性刻蚀速率慢、利用率低的问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有mxene材料的制备方法均存在选择性刻蚀速率慢、利用率低的问题，提供一种高能电击制备mxene二维材料及膨胀max材料的方法，可以实现mxene二维材料和膨胀max材料的秒级制备，反应速度快，利用膨胀max材料制备mxene二维材料的刻蚀速度快，减少了刻蚀原料的浪费。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种高能电击制备mxene二维材料及膨胀max材料的方法，包括以下步骤：

4、1)将母相max粉末置于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进行高能电击，发生闪光现象后反应结束，重复电击1～5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，下层得到膨胀max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、本发明技术方案中每100mg所述母相max粉末对应电击能量为50～1600j。

9、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，获得mxene二维材料的同时意外获得大量膨胀max材料。

10、第二方面，本发明提供利用上述方法得到的膨胀max材料制备mxene二维材料的方法，采用化学刻蚀法对膨胀max材料进行快速刻蚀，得到mxene二维材料。

11、正常max相进行化学刻蚀制备mxene二维材料时需要40h才能达到完全刻蚀，而本发明采用高能电击获得的膨胀max只需15h就能实现完全刻蚀，刻蚀时间缩短60％以上。

12、本发明技术构思特点如下：

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、瞬间高温改变材料的层间环境

16、不用引入插层剂，通过热胀冷缩的原理在材料内部实现瞬间膨胀，同时由于高能电击过程中类似于黑体辐射的能量吸收方式，冷却过程中材料内部的残存应力外放，进一步减弱层间范德华力的作用，同时整体受热区域比较均匀，材料内部由于剧烈的温度变化使得部分失去m-a键限制的mxene得以破碎剥离，而剩下的材料则生成层间距更大的膨胀max材料。

17、3、瞬间的高能电击反应允许在常压空气氛围下进行，不需要无氧环境保护在瞬间(秒级)的反应进程中，由于瞬时的高温和高压电场的存在，材料无法实现与空气中氧的反应，因此不会存在产物高温氧化变质的情况。

18、4、瞬间的高能电击相对于熔融盐刻蚀方法能耗降低由于反应在瞬间(秒级)完成，并且热量主要以黑体辐射的形式在材料中传递，相对于传统的高温反应，往往需要长时间升温、保温的反应过程，该方法有着超低的能耗。

19、5、膨胀max具有刻蚀动力学优势

20、通过对刻蚀max相材料的动力学研究，常规刻蚀剂往往需要从外侧一点点地腐蚀a层，缓慢浸入并腐蚀内部，直至层间的范德华力以及m-a键难以支撑层与层之间的连结，而在刻蚀膨胀max时，刻蚀剂能够通过更大的层间以及破碎的边缘渗透入层间，增大max相材料与刻蚀剂的接触，可实现内外同步进行的刻蚀行为，从而提高刻蚀效率。

21、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

22、1、相比于熔融盐刻蚀方法，本发明方法反应时间短，能耗较低，且高温环境下产物不易氧化，节约了相关成本，更容易实现工业化。

23、2、本发明采用瞬时高能电击破坏m-a化学键，产生的瞬时高温影响层间范德华力，在内部应力释放的时候出现边缘少量的mxene脱落，剩余的膨胀max材料的m-a化学键也受到一定程度的破损，层间距更大更有利于后续刻蚀时刻蚀剂的渗入。

24、3、本发明方法相对安全，且反应速度快，高能电击过程产生的焦耳热由于是材料内部生成的，整体受热区域比较均匀。

25、4、本发明可通过调整输入能量来匹配不同的max材料，有更好的利用前景，并且提高了材料刻蚀转化率，减少刻蚀时原料的浪费。

技术特征：

1.一种高能电击制备mxene二维材料及膨胀max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，每100mg所述母相max粉末对应电击能量为50~1600j。

4.利用权利要求1~3任一项所述的方法得到的膨胀max材料制备mxene二维材料的方法，其特征在于，采用化学刻蚀法对膨胀max材料进行快速刻蚀，得到mxene二维材料。

技术总结
本发明属于二维材料技术领域，公开了一种高能电击制备MXene二维材料及膨胀MAX材料的方法，包括以下步骤：1）将母相MAX粉末置于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进行高能电击，发生闪光现象后反应结束，重复电击1~5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，下层得到膨胀MAX材料。本发明方法可以实现MXene二维材料和膨胀MAX材料的秒级制备，反应速度快，利用膨胀MAX材料制备MXene二维材料的刻蚀速度快，减少了刻蚀原料的浪费。

技术研发人员：方永正,崔鹏辉,曹殿学,董澍,朱凯,周震,潘科成
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