CN111268681A - 一种MXene材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MXene材料及其制备方法与应用。其制备方法为：将MAX相和锌盐混合，真空条件下，加热至不低于400℃反应不低于2h，然后在真空条件下，将反应后的固体产物加热至不低于750℃使锌元素蒸发，获得MXene。本发明的制备过程在条件下在同一设备上就可完成，并且真空条件下可以大幅度的降低反应所需的温度，降低对设备的要求，从而可以降低成本，易大规模生产；真空过程的反应可以有效的避免反应过程中产物的氧化，提高产物的纯度；本发明通过蒸发掉锌元素来合成二维层状结构，因此合成的MXene具有高的比表面；蒸发掉的锌元素可以被回收利用，提高材料的利用率。

Description

一种MXene材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于纳米材料领域，涉及一种MXene材料及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
MXene是2011年发现的一种二维层状材料，具有高的导电性、大的比表面、优异的表面亲水能力、高的稳定性、优异的磁学、和力学性能等优点，因此在催化、吸附、二次电池、超级电容器、电化学发光等设备中表现出了巨大的应用潜力。
现有报道的是采用氢氟酸选择性的腐蚀掉三维层状化合物从而得到MXene。但是氢氟酸具有极强的腐蚀性，对环境及操作人员伤害较大，限制了其在催化、吸附、储能中的应用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种MXene及其制备方法与应用，本发明提供的MXene的制备方法反应可控、绿色环保、简单易行，并且得到的MXene具有较大的比表面积。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，一种MXene材料的制备方法，将MAX相和锌盐混合，真空条件下，加热至不低于400℃反应不低于2h，然后在真空条件下，将反应后的固体产物加热至不低于750℃使锌元素蒸发，获得MXene。
本发明提供了一种新的制备MXene的方法，该方法利用MAX相中的铝与锌盐进行反应，再高温将锌元素蒸发，从而实现了避免采用氢氟酸的问题。同时，经过研究发现本发明的方法比传统氢氟酸制备MXene的比表面积更大，这是由于锌原子比铝原子的半径更大，在与锌盐反应后再蒸发锌元素后，能够提高MXene的比表面。第三，反应过程中采用真空条件，不仅能够降低反应温度，而且能够避免材料氧化，提高纯度。
第二方面，一种MXene材料，由上述制备方法获得。
本发明提供的MXene材料具有更高的比表面。
第三方面，一种上述MXene材料在催化、吸附、二次电池、超级电容器、电化学发光等领域中的应用。
本发明的有益效果为：
1.本发明的制备过程在条件下在同一设备上就可完成，并且真空条件下可以大幅度的降低反应所需的温度，降低对设备的要求，从而可以降低成本，易大规模生产。
2.本发明的制备方法中，真空过程的反应可以有效的避免反应过程中产物的氧化，提高产物的纯度。
3.本发明的制备方法中，可以不需要降温过程，可以有效的缩短反应时间。
4.本发明通过蒸发掉锌元素来合成二维层状结构，合成的MXene具有大的比表面。
5.本发明蒸发掉的锌元素可以被回收利用，提高材料的利用率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中Ti3AlC2的XRD图谱；
图2为本发明实施例1中Ti3C2的XRD图谱；
图3为本发明实施例1中Ti3C2的BET图谱。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于传统MXene制备采用氢氟酸的腐蚀性强、伤害较大，制备的MXene表面积较小等问题，本发明提出了一种MXene及其制备方法与应用。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种MXene材料的制备方法，将MAX相和锌盐混合，真空条件下，加热至不低于400℃反应不低于2h，然后在真空条件下，将反应后的固体产物加热至不低于750℃使锌元素蒸发，获得MXene。
本发明提供了一种新的制备MXene的方法，该方法利用MAX相中的铝与锌盐进行反应，再高温将锌元素蒸发，从而实现了避免采用氢氟酸的问题。经过研究发现本发明的方法比传统氢氟酸制备MXene的比表面积更大，这是由于锌原子比铝原子的半径更大，在与锌盐反应后再蒸发锌元素后，能够提高MXene的比表面。第三，反应过程中采用真空条件，不仅能够降低反应温度，而且能够避免材料氧化，提高纯度。
本发明所述的MAX相是一种备受关注的新型可加工陶瓷材料，M代表过渡金属元素；A代表主族元素，本发明中A为铝元素；X代表碳或氮。包括Ti3AlC2、Ti2AlC、Ta4AlC3、TiNbAlC、(V0.5Cr0.5)3AlC2、V2AlC、Nb2AlC、Nb4AlC3、Ti3AlCN中的一种或两种以上的混合物。
本发明所述的锌盐是指阳离子为锌离子、阴离子为酸根阴离子的化合物。包括氯化锌、乙酸锌、硼酸锌、柠檬酸锌、硝酸锌、葡萄糖酸锌、硫酸锌、高氯酸锌、三幅甲磺酸锌中的一种或两种以上的混合物。
该实施方式的一种或多种实施例中，MAX相和锌盐反应的温度为400～600℃。若温度过高则会对设备要求更高，导致成本提高。若温度低，则会导致铝与锌盐无法反应。
该实施方式的一种或多种实施例中，MAX相和锌盐反应的时间为2～10h。若时间过短，则导致铝不能完全反应，产物中会有铝元素的存在，导致产物不纯。若时间过长，增加时间成本。
该实施方式的一种或多种实施例中，锌元素蒸发的温度为750～1200℃。若温度过低，则导致锌元素不能完全蒸发，产物不纯。若温度过高，则会破坏产物的二维结构。
该实施方式的一种或多种实施例中，锌元素蒸发的时间不低于0.5h。当锌元素蒸发的时间为0.5～5h时，能够保证反应后的固体产物中的锌元素蒸发完全。
为了去除制备过程中多余的锌盐，该实施方式的一种或多种实施例中，MAX相和锌盐混合后包括水洗去除锌盐的过程。水洗去除锌盐的过程可以为MAX相和锌盐混合后降温水洗，也可以为锌元素蒸发后降温水洗。
为了缩短制备MXene的时间，该系列实施例中，锌元素蒸发后降温水洗。仅需要一次降温即可，避免降温过程过多，影响反应时间和能耗。
该实施方式的一种或多种实施例中，MAX相和锌盐的质量比为1:2～4。
本发明的另一种实施方式，提供了一种MXene材料，由上述制备方法获得。
本发明提供的MXene材料具有更高的比表面。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述MXene材料在催化、吸附、二次电池、超级电容器、电化学发光等领域中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种MXene的制备方法：将0.5g Ti3AlC2和1.3g的ZnCl2混匀，然后在真空条件下550℃加热6h，然后继续升高温度在900℃加热2h，冷却到室温后，加入水除去产物中的ZnCl2，真空烘干即可得到Ti3C2。
图1是Ti3AlC2的XRD图，图2是反应后获得的Ti3C2的XRD图。由图1和图2表明，该实施例成功合成了Ti3C2，并且没有杂峰出现，纯度较高。
图3为本发明实施例1中Ti3C2的BET图谱，合成的Ti3C2的比表面是25.7m2 g-1，说明合成的Ti3C2有较大的比表面积。
实施例2
一种MXene的制备方法：将0.5g Ti3AlC2和1.3g的ZnCl2混匀，然后在真空条件下550℃加热6h，冷却到室温后，加入水除去产物中的ZnCl2，烘干后继续升高温度在900℃加热2h，冷却到室温后，即可得到Ti3C2。
实施例3
一种MXene的制备方法：将0.5g Ti2AlC和1.1g的Zn(CH3COO)2混匀，然后在真空条件下600℃加热4h，然后继续升高温度在950℃加热1.5h，冷却到室温后，加入水除去产物中的Zn(CH3COO)2，真空烘干即可得到Ti2C。
实施例4
一种MXene的制备方法：将0.5g Ti2AlC和1.1g的Zn(CH3COO)2混匀，然后在真空条件下600℃加热4h，冷却到室温后，加入水除去产物中的Zn(CH3COO)2，烘干后继续升高温度在950℃加热1.5h，冷却到室温后，即可得到Ti2C。
实施例5
一种MXene的制备方法：将0.5g V2AlC和1.8g的Zn(NO3)2混匀，然后在真空条件下700℃加热1h，然后继续升高温度在800℃加热5h，冷却到室温后，加入水除去产物中的Zn(NO3)2，真空烘干即可得到V2C。
实施例6
一种MXene的制备方法：将0.5g V2AlC和1.8g的Zn(NO3)2混匀，然后在真空条件下700℃加热1h，冷却到室温后，加入水除去产物中的Zn(NO3)2，烘干后继续升高温度在800℃加热5h，冷却到室温后，即可得到V2C。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MXene材料的制备方法，其特征是，将MAX相和锌盐混合，真空条件下，加热至不低于400℃反应不低于2h，然后在真空条件下，将反应后的固体产物加热至不低于750℃使锌元素蒸发，获得MXene。
2.如权利要求1所述的MXene材料的制备方法，其特征是，MAX相和锌盐反应的温度为400～600℃。
3.如权利要求1所述的MXene材料的制备方法，其特征是，MAX相和锌盐反应的时间为2～10h。
4.如权利要求1所述的MXene材料的制备方法，其特征是，锌元素蒸发的温度为750～1200℃。
5.如权利要求1所述的MXene材料的制备方法，其特征是，锌元素蒸发的时间不低于0.5h；优选的，锌元素蒸发的时间为0.5～5h。
6.如权利要求1所述的MXene材料的制备方法，其特征是，MAX相和锌盐混合后包括水洗去除锌盐的过程。
7.如权利要求6所述的MXene材料的制备方法，其特征是，锌元素蒸发后降温水洗。
8.如权利要求1所述的MXene材料的制备方法，其特征是，MAX相和锌盐的质量比为1:2～4。
9.一种MXene材料，其特征是，由权利要求1～8任一所述的制备方法获得。
10.一种权利要求9所述的MXene材料在催化、吸附、二次电池、超级电容器或电化学发光中的应用。
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