一种薄片二维纳米碳化钛纳米材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米功能材料制备技术领域，具体涉及一种薄片二维纳米碳化钛(MXene)纳米材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]Ti3AlC2是一种特殊的金属与陶瓷之间的复合物，同时兼具有金属和陶瓷的优良性能。既具有金属性能，在常温下，有很好的导热性能和导电性能，有较低的维氏显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量，可以进行机械加工，并在较高温度下具有塑性；同时又具有陶瓷的性能，有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性。推陈出新，通过对三元层状打#1(:2进行腐蚀研宄，从而形成典型的二维晶体MXene-Ti 3C2纳米材料。
[0003]二维层状纳米碳化物MXene-Ti3C2是一种类石墨稀结构的材料，超薄二维纳米片由于其独特的形貌结构、较小的颗粒尺寸、较大的表面体积比和原子级的层片厚度而具有超强的催化性能、光伏性能和电化学性能，在功能陶瓷、光催化、锂离子电池、太阳能电池、气体传感器等方面得到了广泛的应用。
[0004]Michael Naguib等人首先制备出了 MXene-Ti3C2二维纳米材料，并对其进行了详细的表征，也对其他MAX相对应的MXene进行了研宄。Olha Mashtalir等人在前面工作的基础上，利用有机物对MXene-Ti3C2进行物理化学处理，成功地将MXene-Ti 3C2多层结构剥离成薄片单层结构，进一步研宄发现其性能优于未完全剥离的MXene-Ti3C2,比如比表面积，电化学性能，因此如何得到较为完全的MXene-Ti3C2薄片结构，是今后研宄的发展趋势。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种薄片二维纳米碳化钛(MXene)纳米材料的制备方法，将11#1(:2在HF酸中进行化学刻蚀，使Al被选择性刻蚀掉，形成风琴状类石墨烯的二维层状材料MXene-Ti3C2纳米材料，然而为了更进一步扩展材料的微观结构，继续用氢氟酸腐蚀处理，长时间腐蚀后，层片间结合力减弱，片层变薄，进而在无水乙醇中用超声处理，剥离片层，得到结构完整的薄片结构的MXene-Ti3C2，薄片状的MXene-Ti3C2比风琴状的比表面积更大，更接近于石墨烯结构，可以应用于污水池里，离子电池，超级电容器，生物传感器等领域。
[0006]为了达到上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]一种薄片二维纳米碳化钛纳米材料的制备方法，包括以下步骤:
[0008](I)将三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体高能球磨lh-4h，转速400r/min，球料质量比10:1，细化粉体后40°C -60°c烘干，得到粒径在8 μ??-75 μπι的11#1(:2陶瓷粉体；
[0009](2)将步骤(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉体取2g?1g浸没在50mL?200mL35wt%?45wt%氢氟酸溶液中反应120h?192h ;密闭保护磁力搅拌；用去离子水离心清洗腐蚀产物，直至离心上清液pH约为5?6 ;用无水乙醇清洗2?4次；得到过腐蚀处理，层片间结合力减弱，片层变薄的MXene-Ti3C2纳米材料。
[0010](3)将步骤(3)中所得过腐蚀的MXene-Ti3C2纳米材料，继续浸没于无水乙醇中进行超声处理，工作频率为40kHz，超声时间为0.5h?2h ;离心固液分离，室温烘干，即得到类石墨稀的薄片状MXene-Ti3C2纳米材料。
[0011]本发明的优势在于利用腐蚀反应，对MXene-Ti3C2粉体进行过腐蚀处理，蚀刻去除Al后，继续利用氢氟酸腐蚀暴露的Ti表面和表面官能团，使片层间结合力减小，片层变薄，提高了比表面积，此时片层表面能很高，去除酸后，利用无水乙醇清洗保护，防止氧化。进一步腐蚀会破坏片层结构，变成颗粒状，因此，腐蚀处理一定程度时间后，片层间结合力减小，而片层结构得到保持，这样的结构未能完全剥离成薄片，需利用超声处理，物理剥离，成功得到薄片状的类石墨稀MXene-Ti3C2纳米材料。薄片状的MXene-Ti 3C2比风琴状的比表面积更大，表面终端的羟基官能团更多，更接近于氧化石墨烯结构，可以应用于离子电池，超级电容器，生物传感器，纳米吸附剂等领域。
【附图说明】
[0012]图1为Ti3AlC2粉体腐蚀处理前及过腐蚀处理后的XRD图谱。
[0013]图2 (a)为Ti3AlC2粉体腐蚀处理前的SEM图，图2 (b)为Ti #1(:2粉体腐蚀处理后的SEM图，图2(c)为11#1(:2粉体超声处理后的SEM图。
【具体实施方式】
[0014]以下通过具体实施方案进一步描述本发明，本发明也可通过其它的不脱离本发明技术特征的方案来描述，因此所有在本发明范围内或等同本发明范围内的改变均被本发明包含。
[0015]实施例一
[0016]本实施例包括以下步骤:
[0017](I)采用真空烧结的方法制备出高纯度的三元层状11#1(:2陶瓷粉体，然后高能球磨粉体4h，转速400r/min，球料质量比10:1，细化粉体后60°C烘干，得到11#1(:2陶瓷粉体；见图1和图2(a)，图1中XRD图谱说明了所得粉体的物相是Ti3AlC2晶体，且杂质含量极少，图2(a)中SEM图显示了 Ti3AlC-aB体的微观形貌，可以看出其晶粒尺寸大小约为8 μπι，及其明显的层状结构；
[0018](2)将步骤(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉体取5g浸没在10mL 40wt%氢氟酸溶液中反应168h ;密闭保护磁力搅拌；用去离子水离心清洗腐蚀产物，直至离心上清液pH约为5?6 ;用无水乙醇清洗3次；得到过腐蚀处理，层片间结合力减弱，片层变薄的MXene-Ti3C2纳米材料。见图1，其中XRD图谱表明了 Ti3AlC2衍射峰的变化，与理论计算的XRD衍射图谱对比，成功地得到MXene-Ti3C2粉体物相。见图2 (b)，其中SEM图显示了 MXene-Ti 3C2的微观形貌，可以看出其片层厚度约为50nm，层片间结合力减弱，片层很薄，部分片层已经剥离，施加外力极易分离，是典型的二维层状纳米材料；
[0019](3)将步骤(3)中所得过腐蚀的MXene-Ti3C2纳米材料，继续浸没于无水乙醇中进行超声处理，工作频率为40kHz，超声时间为Ih ;离心固液分离，室温烘干，即得到类石墨烯的薄片状MXene-Ti3C2纳米材料。见图2 (c)，其中SEM图显示了 MXene-Ti 3C2的微观形貌，超声剥离后的薄片状类石墨烯，是典型的二维层状纳米材料；比对图2(b)，可以看出比表面积变大，更接近氧化石墨烯结构，这样的结构更有利于应用在离子电池，超级电容器，生物传感器，纳米吸附剂等领域。
[0020]实施例二
[0021]本实施例包括以下步骤:
[0022](I)采用真空烧结的方法制备出高纯度的三元层状11#1(:2陶瓷粉体，然后高能球磨粉体3h，转速400r/min，球料质量比10:1，细化粉体后40°C烘干，得到11#1(:2陶瓷粉体；
[0023](2)将步骤(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉体取2g浸没在50mL 35被％氢氟酸溶液中反应120h ;密闭保护磁力搅拌；用去离子水离心清洗腐蚀产物，直至离心上清液pH约为5?6 ;用无水乙醇清洗2次；得到过腐蚀处理，层片间结合力减弱，片层变薄的MXene-Ti3C2纳米材料。
[0024](3)将步骤(3)中所得过腐蚀的MXene-Ti3C2纳米材料，继续浸没于无水乙醇中进行超声处理，工作频率为40kHz，超声时间为2h ;离心固液分离，室温烘干，即得到类石墨烯的薄片状MXene-Ti3C2纳米材料。
[0025]实施例三
[0026]本实施例包括以下步骤:
[0027](I)采用真空烧结的方法制备出高纯度的三元层状11#1(:2陶瓷粉体，然后高能球磨粉体2h，转速400r/min，球料质量比10:1，细化粉体后40°C烘干，得到11#1(:2陶瓷粉体；
[0028](2)将步骤(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉体取4g浸没在80mL 45被％氢氟酸溶液中反应144h ;密闭保护磁力搅拌；用去离子水离心清洗腐蚀产物，直至离心上清液pH约为5?6 ;用无水乙醇清洗4次；得到过腐蚀处理，层片间结合力减弱，片层变薄的MXene-Ti3C2纳米材料。
[0029](3)将步骤(3)中所得过腐蚀的MXene-Ti3C2纳米材料，继续浸没于无水乙醇中进行超声处理，工作频率为40kHz，超声时间为Ih ;离心固液分离，室温烘干，即得到类石墨烯的薄片状MXene-Ti3C2纳米材料。
[0030]实施例四
[0031]本实施例包括以下步骤:
[0032](I)采用真空烧结的方法制备出高纯度的三元层状11#1(:2陶瓷粉体，然后高能球磨粉体lh，转速400r/min，球料质量比10:1，细化粉体后40°C烘干，得到Ti3AlC^瓷粉体；
[0033](2)将步骤(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉体取1g浸没在200mL 45wt%氢氟酸溶液中反应192h ;密闭保护磁力搅拌；用去离子水离心清洗腐蚀产物，直至离心上清液pH约为5?6 ;用无水乙醇清洗4次；得到过腐蚀处理，层片间结合力减弱，片层变薄的MXene-Ti3C2纳米材料。
[0034](3)将步骤(3)中所得过腐蚀的MXene-Ti3C2纳米材料，继续浸没于无水乙醇中进行超声处理，工作频率为40kHz，超声时间为0.5h ;离心固液分离，室温烘干，即得到类石墨稀的薄片状MXene-Ti3C2纳米材料。
【主权项】
1.一种薄片二维纳米碳化钛纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体高能球磨lh-4h，转速400r/min，球料质量比10:1，细化粉体后40°C _60°C烘干，得到粒径在8 μπι-75 μπι的11#1(:2陶瓷粉体； (2)将步骤(I)中所得Ti3AlC2陶瓷粉体取2g?1g浸没在50mL?200mL35wt%?45wt%氢氟酸溶液中反应120h?192h ;密闭保护磁力搅拌；用去离子水离心清洗腐蚀产物，直至离心上清液pH约为5?6 ;用无水乙醇清洗2?4次；得到过腐蚀处理，层片间结合力减弱，片层变薄的MXene-Ti3C2纳米材料； (3)将步骤(3)中所得过腐蚀的MXene-Ti3C2纳米材料，继续浸没于无水乙醇中进行超声处理，工作频率为40kHz，超声时间为0.5h?2h ;离心固液分离，室温烘干，即得到类石墨稀的薄片状MXene-Ti3C2纳米材料。
【专利摘要】一种薄片二维纳米碳化钛纳米材料的制备方法，首先制备合成出高纯度的三元层状Ti3AlC2陶瓷块体，高能球磨成细化粉体；将Ti3AlC2粉体浸没在氢氟酸中进行化学刻蚀，使Al被选择性刻蚀掉，形成风琴状类石墨烯的二维层状材料MXene-Ti3C2纳米材料，然而为了更进一步扩展材料的微观结构，继续用氢氟酸腐蚀处理，长时间腐蚀后，层片间结合力减弱，片层变薄，进而在无水乙醇环境中用超声处理，剥离片层，得到结构完整的薄片结构的MXene-Ti3C2，其比表面积比风琴状结构更大，更接近于石墨烯结构，薄片均匀，有一定力学性能等特点可以应用于废水处理、离子电池、超级电容器、生物传感器等领域。本发明具有制备过程简单，工艺可控，成本低。
【IPC分类】C01B31-30, B82Y30-00
【公开号】CN104528721
【申请号】CN201410814100
【发明人】杨晨辉, 王芬, 汤祎, 王鑫, 王子婧, 朱剑锋, 艾桃桃
【申请人】陕西科技大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月23日