CN108417406A - 一种Ti3C2MXene-Co复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种Ti3C2MXene‑Co复合材料及其制备方法，本发明涉及Ti3C2MXene复合材料及其制备方法。本发明是要解决现有的Ti3C2MXene材料无法重复利用的问题。本发明的Ti3C2MXene‑Co复合材料是由二维层状Ti3C2和负载在片层上的棒状Co单质组成。制法：将Ti3C2MXene分散在去离子水中分散，然后加入Co(NO3)2·6H2O持续搅拌，再加入NH4F和CO(NH2)2，搅拌混合均匀，得到前驱液；将前驱液加入到水热反应釜中反应，过滤、干燥，得到Ti3C2MXene‑Co复合材料。该复合材料可用于吸附、催化领域。

Description

一种Ti3C2MXene-Co复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及Ti3C2MXene复合材料及其制备方法。
背景资料
MXene是一类具有类石墨烯结构与新颖性质的新型二维晶体化合物，其化学式为Mn+1Xn(n＝1,2,3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素)，是近年功能材料研究领域的新星之一。这种二维过渡金属碳或/和氮化物具有明显的层层堆垛的结构，它是由三相陶瓷MAX经过处理，刻蚀掉其中的A相获得的MX相，其中A一般为铝或硅元素。Ti3C2是研究最多的一种MXene，相对而言Ti3AlC2中Al元素非常容易刻蚀，因此Ti3C2MXene比较容易制备，并且所得的Ti3C2相对稳定，Ti3C2还具有高电导率、高比表面积，表面具有亲水官能团(OH-、F-等)的性质，已经被充分应用在锂离子电池、超级电容器、气体传感器、H2储存材料、离子吸附材料等众多领域。但Ti3C2材料用过后不易回收，不能重复使用
发明内容
本发明是要解决现有的Ti3C2MXene材料无法重复利用的问题，而提供一种Ti3C2MXene-Co复合材料及其制备方法。
本发明的Ti3C2MXene-Co复合材料是由二维层状Ti3C2和负载在片层上的棒状Co单质组成，其中Ti3C2与Co的质量比为1：(0.5～2)。
本发明的MXene-Co复合材料，Co单质分布在MXene表面，通过调节Co的加入量可以调控材料的磁性强弱，使得材料的磁性达到用于进一步优化MXene复合材料的水平。
上述Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、称取Ti3C2MXene、Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2，其中Ti3C2MXene与Co(NO3)2·6H2O的质量比为1：0.5～4，Co(NO3)2·6H2O与CO(NH2)2的质量比为1:(0.5～1)，Co(NO3)2·6H2O与NH4F的物质量之比为1:(0.5～1.5)；
二、按Ti3C2MXene的质量浓度为0.2～2mg/ml，将Ti3C2MXene分散在去离子水中，超声分散，加入Co(NO3)2·6H2O，在室温下持续搅拌，使Co2+离子充分吸附在Ti3C2MXene表面；再加入NH4F和CO(NH2)2，搅拌混合均匀，得到前驱液；
三、将前驱液加入到水热反应釜中，在90～120℃下加热反应6～10h；
四、反应结束后，过滤、干燥，得到Ti3C2MXene-Co复合材料。
本发明Ti3C2MXene-Co复合材料，在Ti3C2的片层上原位生长出棒状Co单质，该复合材料具有优异的磁性，可以利用该性能可以很好的将Ti3C2MXene-Co从混合液中分离出来，使MXene材料能够很好地重复使用，提高了材料的重复使用效率。尤其是对于用于吸附、催化等用途的MXene复合材料，提高了材料的使用频率，有效降低了成本。
附图说明
图1是实施例1中的Ti3C2MXene的扫描电镜照片；
图2是实施例1中Ti3C2MXene-Co复合材料的扫描电镜照片；
图3是实施例1中Ti3C2MXene-Co复合材料的在水中的分散状态图；
图4是实施例1中Ti3C2MXene-Co复合材料的被磁铁吸引的状态图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的Ti3C2MXene-Co复合材料是由二维层状Ti3C2和负载在片层上的棒状Co单质组成，其中Ti3C2与Co的质量比为1：(0.5～2)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是Ti3C2与Co的质量比为1：(0.8～1.2)。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、称取Ti3C2MXene、Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2，其中Ti3C2MXene与Co(NO3)2·6H2O的质量比为1：0.5～4，Co(NO3)2·6H2O与CO(NH2)2的质量比为1:(0.5～1)，Co(NO3)2·6H2O与NH4F的物质量之比为1:(0.5～1.5)；
二、按Ti3C2MXene的质量浓度为0.2～2mg/ml，将Ti3C2MXene分散在去离子水中，超声分散，加入Co(NO3)2·6H2O，在室温下持续搅拌，使Co2+离子充分吸附在Ti3C2MXene表面；再加入NH4F和CO(NH2)2，搅拌混合均匀，得到前驱液；
三、将前驱液加入到水热反应釜中，在90～120℃下加热反应6～10h；
四、反应结束后，过滤、干燥，得到Ti3C2MXene-Co复合材料。
其中步骤一中所述的Ti3C2MXene的制备方法如下：
(1)量取20～30ml质量百分浓度为40％～50％的浓氢氟酸于四氟乙烯塑料杯中，在搅拌条件下将1～2g Ti3AlC2加入到氢氟酸中，室温下搅拌反应12～24小时；反应结束后，离心分离，将固相物用去离子水清洗至上清液pH>5；
(2)将固相物分散在去离子水中，在氩气保护下，超声1～2h，过滤，得到沉淀物；再将沉淀物冷冻干燥，获得层状的Ti3C2MXene。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中所述的Ti3C2MXene的制备方法如下：
(1)量取20～30ml质量百分浓度为40％～50％的浓氢氟酸于四氟乙烯塑料杯中，在搅拌条件下将1～2g Ti3AlC2加入到氢氟酸中，室温下搅拌反应12～24小时；反应结束后，离心分离，将固相物用去离子水清洗至上清液pH>5；
(2)将固相物分散在去离子水中，在氩气保护下，超声1～2h，过滤，得到沉淀物；再将沉淀物冷冻干燥，获得层状的Ti3C2MXene。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤一中Ti3C2MXene与Co(NO3)2·6H2O的质量比为1：1，Co(NO3)2·6H2O与CO(NH2)2的质量比为1：0.8，Co(NO3)2·6H2O与NH4F的物质量之比为1：1。其它与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是步骤二中将Ti3C2MXene分散在去离子水中超声分散的时间为10～20min。其它与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是步骤二中加入NH4F和CO(NH2)2后，搅拌混合时间为30～40min。其它与具体实施方式三至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是步骤三水热反应的温度为100℃，反应时间为8h。其它与具体实施方式三至七之一相同。
用以下的实施例验证本发明的有益效果。
实施例1：本实施例的Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、Ti3C2MXene的制备：
(1)量取30ml质量百分浓度为50％的浓氢氟酸于四氟乙烯塑料杯中，在搅拌条件下将1.5g Ti3AlC2缓慢加入到氢氟酸中，室温下搅拌反应24小时；反应结束后，离心分离，将固相物用去离子水清洗至上清液pH＝6；
(2)将固相物分散在去离子水中，在氩气保护下，超声1h，过滤，得到沉淀物；再将沉淀物冷冻干燥，获得层状的Ti3C2MXene；
二、Ti3C2MXene-Co复合材料的制备：
(1)称取Ti3C2MXene、Co(NO3)2·6H2O、CO(NH2)2和NH4F，其中Ti3C2MXene与Co(NO3)2·6H2O的质量比为1：1，Co(NO3)2·6H2O与CO(NH2)2的质量比为1:1，Co(NO3)2·6H2O与NH4F的物质量之比为1:0.8；
(2)按Ti3C2MXene的质量浓度为1mg/ml，将Ti3C2分散在去离子水中，超声分散，加入Co(NO3)2·6H2O，在室温下搅拌30min，使Co2+离子充分吸附在Ti3C2MXene表面；再加入NH4F和CO(NH2)2，搅拌混合10min，得到前驱液；
(3)将前驱液加入到水热反应釜中，在100℃下加热反应8h；
(4)反应结束后，过滤、干燥，得到Ti3C2MXene-Co复合材料。
本实施例中步骤一制备的Ti3C2MXene的扫描电镜照片如图1所示，从图1可以看出，Ti3C2MXene为二维层状晶体。
本实施例中步骤二制备的Ti3C2MXene-Co复合材料的扫描电镜照片如图2所示，从图2可以看棒状Co单质负载在Ti3C2MXene的片层上。
本实施例制备的Ti3C2MXene-Co复合材料加入水中的状态如图3所示，从图3可以看出，Ti3C2MXene-Co复合材料均匀他分散在水中。在烧杯的外壁附近放置磁铁后的效果如图4所示，从图4可以看出，Ti3C2MXene-Co复合材料被磁铁吸至杯壁上，说明Ti3C2MXene-Co复合材料具有很好的磁性。
实施例2：本实施例的Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、Ti3C2MXene的制备：
(1)量取30ml质量百分浓度为45％的浓氢氟酸于四氟乙烯塑料杯中，在搅拌条件下将1.5g Ti3AlC2缓慢加入到氢氟酸中，室温下搅拌反应24小时；反应结束后，离心分离，将固相物用去离子水清洗至上清液pH＝7；
(2)将固相物分散在去离子水中，在氩气保护下，超声1.5h，过滤，得到沉淀物；再将沉淀物冷冻干燥，获得层状的Ti3C2MXene；
二、Ti3C2MXene-Co复合材料的制备：
(1)称取Ti3C2MXene、Co(NO3)2·6H2O、CO(NH2)2和NH4F，其中Ti3C2MXene与Co(NO3)2·6H2O的质量比为1：4，Co(NO3)2·6H2O与CO(NH2)2的质量比为1:1，Co(NO3)2·6H2O与NH4F的物质量之比为1:1；
(2)按Ti3C2MXene的质量浓度为1mg/ml，将Ti3C2分散在去离子水中，超声分散，加入Co(NO3)2·6H2O，在室温下搅拌30min，使Co2+离子充分吸附在Ti3C2MXene表面；再加入NH4F和CO(NH2)2，搅拌混合10min，得到前驱液；
(3)将前驱液加入到水热反应釜中，在100℃下加热反应8h；
(4)反应结束后，过滤、干燥，得到Ti3C2MXene-Co复合材料。
本实施例制备出了二维层状晶体Ti3C2MXene，其结构与实施例1制备的材料相同，同时该材料具有磁性。

Claims (8)

1.一种Ti3C2MXene-Co复合材料，其特征在于该复合材料是由二维层状Ti3C2和负载在片层上的棒状Co单质组成，其中Ti3C2与Co的质量比为1：(0.5～2)。
2.根据权利要求1所述的一种Ti3C2MXene-Co复合材料，其特征在于Ti3C2与Co的质量比为1：(0.8～1.2)。
3.制备权利要求1所述的一种Ti3C2MXene-Co复合材料的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、称取Ti3C2MXene、Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2，其中Ti3C2MXene与Co(NO3)2·6H2O的质量比为1：0.5～4，Co(NO3)2·6H2O与CO(NH2)2的质量比为1:(0.5～1)，Co(NO3)2·6H2O与NH4F的物质量之比为1:(0.5～1.5)；
二、按Ti3C2MXene的质量浓度为0.2～2mg/ml，将Ti3C2MXene分散在去离子水中，超声分散，加入Co(NO3)2·6H2O，在室温下持续搅拌，使Co2+离子充分吸附在Ti3C2MXene表面；再加入NH4F和CO(NH2)2，搅拌混合均匀，得到前驱液；
三、将前驱液加入到水热反应釜中，在90～120℃下加热反应6～10h；
四、反应结束后，过滤、干燥，得到Ti3C2MXene-Co复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的Ti3C2MXene的制备方法如下：
(1)量取20～30ml质量百分浓度为40％～50％的浓氢氟酸于四氟乙烯塑料杯中，在搅拌条件下将1～2g Ti3AlC2加入到氢氟酸中，室温下搅拌反应12～24小时；反应结束后，离心分离，将固相物用去离子水清洗至上清液pH>5；
(2)将固相物分散在去离子水中，在氩气保护下，超声1～2h，过滤，得到沉淀物；再将沉淀物冷冻干燥，获得层状的Ti3C2MXene。
5.根据权利要求3或4所述的一种Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中Ti3C2MXene与Co(NO3)2·6H2O的质量比为1：1，Co(NO3)2·6H2O与CO(NH2)2的质量比为1：0.8，Co(NO3)2·6H2O与NH4F的物质量之比为1：1。
6.根据权利要求3或4所述的一种Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中将Ti3C2MXene分散在去离子水中超声分散的时间为10～20min。
7.根据权利要求3或4所述的一种Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中加入NH4F和CO(NH2)2后，搅拌混合时间为30～40min。
8.根据权利要求3或4所述的一种Ti3C2MXene-Co复合材料的制备方法，其特征在于步骤三水热反应的温度为100℃，反应时间为8h。
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