CN108467019A - 一种Ti2N二维材料的制备方法 - Google Patents

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刘卓
刘一卓
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Abstract

一种Ti2N二维材料的制备方法，首先，按照摩尔比例称取Ti、Al、Ga、In、Sn以及TiN为原料，先将Ti粉、Al粉、In粉、Sn粉、TiN粉进行球磨混合，干燥，再加入Ga块，研磨均匀得到混合粉体，其次，将所得混合粉体压制成坯体，在一定温度条件下烧结，磨去表面氧化层，得到Ti2AlN的固溶体，最后，将固溶体破碎得到的粉体过筛后，置于盐酸中搅拌，对产物进行离心，洗涤至中性，干燥，得到二维材料，能够在温和的工艺条件下制备出Ti2N二维材料，具有工艺简单、条件温和的特点。

Description

一种Ti2N二维材料的制备方法
技术领域
本发明涉及无机纳米材料制备领域，特别涉及一种Ti2N二维材料的制备方法。
背景技术
MAX相是三元层状化合物，通式为Mn+1AXn(n＝1，2，3)，其中M代表过渡金属元素，A为第ⅢA族或ⅣA族元素，X为碳元素或氮元素。对MAX相材料进行选择性刻蚀A层原子后通过剥离能够得到新的二维MXene材料。该类材料具有多样的电学、磁学、热电性能以及优异的电化学、重金属离子吸附等特性，在离子电池、超级电容器、储氢等领域存在十分广阔的应用前景。
最常见的碳基MXenes有Ti3C2，通过氢氟酸或者氟盐混合盐酸选择性刻蚀掉Ti3AlC2中的Al层得到的二维Ti3C2。与碳基MXenes相比，氮基MXenes由于其较高的电子导电性，过渡金属氮化物被认为有希望应用于等离子体、电化学电容器、光学和超材料器件。
而目前氮基MAX由于活性较大，很难通过氢氟酸进行选择性刻蚀得到对应的二维氮化物。针对于其中的Ti2AlN剥离制备Ti2N存在很大的技术难度，文献1[Dissertations&Theses-Gradworks,2014,45(4):787-99.]通过低浓度的HF酸处理Ti2AlN，在其表面形成了氧化物但仍未得到层状Ti2N。文献2[Acs Nano,2017,11(9)]通过KF和HCl混合低温短时间处理Ti2AlN得到Ti2N。以上技术或使用氢氟酸或氟盐混合盐酸具有一定的危险性，且不能有效的温和地制备出Ti2N二维材料，亟待开发新的制备手段。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种Ti2N二维材料的制备方法，能够在温和的工艺条件下制备出Ti2N二维材料，具有工艺简单、条件温和的特点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种Ti2N二维材料的制备方法，步骤如下：
步骤1：按照Ti：(Al、Sn、In和Ga)：TiN的摩尔比为1：(1-1.1)：1，其中Al：Sn：In：Ga的摩尔比为(0.7-0.9)：(0-0.3)：(0-0.3)：(0-0.3)，称取原料，先将Ti粉、Al粉、In粉、Sn粉、TiN粉进行球磨混合，干燥，再加入Ga块，研磨均匀得到混合粉体；
步骤2：将步骤1所得混合粉体压制成坯体，在600-800℃温度条件下烧结2-5min，磨去表面氧化层，得到Ti2AlN的固溶体；
步骤3：将固溶体破碎得到的粉体过300目筛后，置于盐酸中搅拌，对产物进行离心，洗涤至中性，干燥，得到二维材料。
所述步骤1球磨混合的料球质量比1：5。
所述步骤1球磨混合的介质为无水乙醇。
所述步骤2坯体烧结采用空气炉。
所述步骤3中盐酸浓度1-3mol/L。
所述步骤3搅拌时间为4-24h。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
目前氮基Ti2AlN由于活性较大，难以通过现有技术理想有效地进行选择性刻蚀掉Al层制备得到Ti2N二维材料，本发明先利用热爆法将Ga、In、Sn固溶在Ti2AlN中Al层，极大地提高了Al层的活性，然后通过酸洗去除活性层，从而得到Ti2N二维材料，制备工艺简单，条件温和，安全有效。
附图说明
图1为热爆法制备的Ti2AlN及固溶体的XRD图。
图2为所得固溶体的能谱分析图。
图3为所得固溶体用盐酸处理后产物的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一：
步骤1：将Ti、Al、Ga、In、Sn以及TiN粉按照摩尔配比1：0.9：0.05：0.05：0：1称量，然后先将称好的Ti粉、Al粉、In粉、Sn粉、TiN粉的置于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇为介质进行球磨混合，球磨混合的料球质量比1：5，将球磨后的浆料取出，干燥，得到干燥粉体，再加入称好的Ga块，研磨混合均匀。
步骤2：将粉料倒入不锈钢模具中，压制成型，将压坯放入700℃的空气炉中反应5min后取出，磨去表面氧化层，得到Ti2AlN的固溶体。
步骤3：将固溶体经破碎成粉，过300目筛网后，用1mol/L盐酸处理，室温搅拌24h，产物经多次去离子水水洗，离心至上清液pH值接近中性，真空干燥，得到二维材料。
参见图1，从图中可知，衍射峰发生了明显的偏移，表明Ga、In、Sn固溶到Ti2AlN的晶格中。
参见图2，表明固溶体中存在Ga、In、Sn、Ti、Al、N元素。
参见图3，从图中可知，产物Ti2N为层状二维结构。
实施例二：
步骤1：将Ti、Al、Ga、In、Sn以及TiN粉按照摩尔配比1：0.9：0.06：0.03：0.01：1称量，然后先将称好的Ti粉、Al粉、In粉、Sn粉、TiN粉的置于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇为介质进行球磨混合，球磨混合的料球质量比1：5，将球磨后的浆料取出，干燥，得到干燥粉体，再加入称好的Ga块，研磨混合均匀。
步骤2：将粉料倒入不锈钢模具中，压制成型，将压坯放入600℃的空气炉中反应3min后取出，磨去表面氧化层，得到Ti2AlN的固溶体。
步骤3：将固溶体经破碎成粉，过300目筛网后，用1mol/L盐酸处理，室温搅拌12h，产物经多次去离子水水洗，离心至上清液pH值接近中性，真空干燥，得到二维材料。
实施例三：
步骤1：将Ti、Al、Ga、In、Sn以及TiN粉按照摩尔配比1：0.9：0.05：0.03：0.02：1称量，然后先将称好的Ti粉、Al粉、In粉、Sn粉、TiN粉的置于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇为介质进行球磨混合，球磨混合的料球质量比1：5，将球磨后的浆料取出，干燥，得到干燥粉体，再加入称好的Ga块，研磨混合均匀。
步骤2：将粉料倒入不锈钢模具中，压制成型，将压坯放入700℃的空气炉中反应5min后取出，磨去表面氧化层，得到Ti2AlN的固溶体。
步骤3：将固溶体经破碎成粉，过300目筛网后，用2mol/L盐酸处理，室温搅拌8h，产物经多次去离子水水洗，离心至上清液pH值接近中性，真空干燥，得到二维材料。
实施例四：
步骤1：将Ti、Al、Ga、In、Sn以及TiN粉按照摩尔配比1：0.9：0.05：0.02：0.03：1称量，然后先将称好的Ti粉、Al粉、In粉、Sn粉、TiN粉置于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇为介质进行球磨混合，球磨混合的料球质量比1：5，将球磨后的浆料取出，干燥，得到干燥粉体，再加入取称好的Ga块，研磨混合均匀。
步骤2：将粉料倒入不锈钢模具中，压制成型，将压坯放入800℃的空气炉中反应2min后取出，磨去表面氧化层，得到Ti2AlN的固溶体。
步骤3：经破碎成粉，过300目筛网，后用3mol/L盐酸处理，室温搅拌4h，产物经多次去离子水水洗，离心至上清液pH值接近中性。真空干燥，得到二维材料。

Claims (6)

1.一种Ti2N二维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：按照Ti：(Al、Sn、In和Ga)：TiN的摩尔比为1：(1-1.1)：1，其中Al：Sn：In：Ga的摩尔比为(0.7-0.9)：(0-0.3)：(0-0.3)：(0-0.3)称取原料，先将Ti粉、Al粉、In粉、Sn粉、TiN粉进行球磨混合，干燥，再加入Ga块，研磨均匀得到混合粉体；
步骤2：将步骤1所得混合粉体压制成坯体，在600-800℃温度条件下烧结2-5min，磨去表面氧化层，得到Ti2AlN的固溶体；
步骤3：将固溶体破碎得到的粉体过300目筛后，置于盐酸中搅拌，对产物进行离心，洗涤至中性，干燥，得到二维材料。
2.根据权利要求1所述的一种Ti2N二维材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1球磨混合的料球质量比1：5。
3.根据权利要求1所述的一种Ti2N二维材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1球磨混合的介质为无水乙醇。
4.根据权利要求1所述的一种Ti2N二维材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2坯体烧结采用空气炉。
5.根据权利要求1所述的一种Ti2N二维材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中盐酸浓度1-3mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种Ti2N二维材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3搅拌时间为4-24h。
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