CN115353108A - 一种大尺寸MXene纳米片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备大尺寸MXene纳米片的方法，所述制备方法包括：将经过刻蚀后的MAX相材料分散于一定量的溶剂中得到混合液，将混合液放入振荡器中，反复震荡实现MXene块体材料的大尺寸剥离。本发明使用的仪器便宜且来源广泛，反应条件温和，无需冰浴和惰性气氛保护，操作简单，环境友好，片层较大。

Description

一种大尺寸MXene纳米片的制备方法
技术领域
本发明涉及MXene材料制备技术领域，具体为一种大尺寸MXene纳米片的制备方法。
背景技术
MXene，即二维层状过渡金属碳氮化物，其通式一般为Mn+1XnTx，其中M为过渡金属(Sc、Ti、V、Cr、Nb、Mo等)，X为碳或氮元素，Tx表示纳米片表面的终端基团(-OH、-F、=O)等。因其具有和另一种广为人知的二维材料石墨烯(Graphene)相似的结构，故得名MXene。
目前MXene的常规制备方法包括酸刻蚀法（氢氟酸或相应的氟盐酸溶液），碱刻蚀和电化学剥离等。采取合适的刻蚀剂将原材料MAX中的A元素刻蚀，刻蚀过后需要剥离。剥离方法通常是超声剥离，使具有良好浸润性的小分子试剂进入到刻蚀后的MXene中，在超声振荡过程中将块状的MAX剥离，但上述剥离方法制备方法所得片层尺寸小，大多小于1 μm。同时剥离的二维纳米片又极易在范德华力的作用下发生不可逆的堆叠和团聚，导致大片层MXene产率极低，价格昂贵，无法商业化应用。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，成功制备出大尺寸二维MXene，解决超声剥离片层尺寸小的问题。本发明反应条件温和、操作简单、环境友好；本发明所制备得到的单层MXene纳米片在储能、润滑、吸附以及催化剂等领域具有较好的应用前景。
本发明是通过如下技术方案实现的。
一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，具体包括以下步骤：
a）将MAX材料分散在氟化锂盐酸溶液中，并在35℃下搅拌24 h，将刻蚀产物用去离子水离心洗涤至离心上清液PH=6±1，并收集底部沉淀；
b）将刻蚀后的材料分散到溶剂中，得到一定浓度的溶液，将溶液装入锥形瓶中在振荡机中振荡一段时间进行剥离；
c）最后离心收集上层清液，得到大尺寸MXene 纳米片。
优选的，所述溶剂为水、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。
优选的，所述步骤b中溶液浓度为1-10 mg /mL。
优选的，所述振荡机为往复振荡，振荡频率为150至300 RPM，采用所述振荡频率可以破坏片层间的结合力，保证片层不破碎的情况下达到剥离的效果。
优选的，所述振荡时间为5-20 h。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明公开了一种利用振荡剥离制备大片层MXene纳米片的方法，将经过刻蚀后的MAX相材料分散于一定量的溶剂中得到混合液，将混合液放入调速多用振荡机中，反复震荡实现MXene块体材料的大尺寸剥离，本发明使用的仪器便宜且来源广泛，反应条件温和，无需冰浴和惰性气氛保护，操作简单，环境友好，片层较大。
附图说明
图1为对比实施例制备的二维MXene纳米片的透射电子显微镜图片。
图2为实施例1振荡10 h制备的大尺寸二维MXene纳米片的透射电子显微镜图片。
图3为实施例2制备的大片层二维MXene纳米片的X射线衍射图谱。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
对比例1
MXene纳米片的制备，具体为以下步骤：
首先将3.2 g氟化锂加入到40 ml 9 M盐酸中混合均匀的到混合溶液，在向混合溶液中缓慢加入2 g的MAX(Ti3AlC2)，并在35℃搅拌24 h然后离心洗涤到中性，收集沉淀得到刻蚀后的MAX相材料。
将刻蚀后的MAX相材料分散于100 ml蒸馏水中，超声剥离1 h后冷冻干燥，得到MXene沉淀。
图1为对比实施例经过超声剥离制备的二维MXene纳米片的透射电子显微镜图片，图中可以看出MXene纳米片的尺寸小于1 μm。
实施例1
首先将3.2 g氟化锂加入到40 mL 9 M盐酸中混合均匀的到混合溶液，在向混合溶液中缓慢加入2 g的MAX(Ti3AlC2)，并在35℃搅拌24 h然后离心洗涤到中性，收集沉淀得到刻蚀后的MAX相材料。
然后将刻蚀后的100 mg MAX相材料分散于100 mL蒸馏水中，混合均匀后放入调速多用振荡机中，将频率调整为200 RPM进行振荡剥离，振荡5 h。离心收集上层清液后冷冻干燥。得到大片层的MXene纳米片。
图2为实施例1制备的大片层二维MXene纳米片的透射电子显微镜图片，图中可以看出制备出了单层MXene纳米片，其尺寸为~9 μm。
实施例2
首先将1.6 g氟化锂加入到20 mL 9 M盐酸中混合均匀的到混合溶液，在向混合溶液中缓慢加入1g的MAX(Ti3AlC2)，并在35℃搅拌24 h然后离心洗涤到中性，收集沉淀得到刻蚀后的MAX相材料。
然后将刻蚀后的500 mg MAX相材料分散于100 mL N,N-二甲基甲酰胺中，混合均匀后放入调速多用振荡机中，将频率调整为240 RPM进行振荡剥离，振荡15 h。离心收集上层清液后冷冻干燥。得到大片层的MXene纳米片。
图3为实例2得到的大尺寸二维MXene纳米片的X射线衍射图谱，图中我们可以确定得到了Ti3C2Tx，且无其他杂质。
实施例3
首先将3.2 g氟化锂加入到50 mL 9 M盐酸中混合均匀的到混合溶液，在向混合溶液中缓慢加入2 g的MAX(Ti3AlC2)，并在35℃搅拌24 h然后离心洗涤到中性，收集沉淀得到刻蚀后的MAX相材料。
然后将刻蚀后的1.5 g MAX相材料分散于150 mL N,N-二甲基甲酰胺中，混合均匀后放入调速多用振荡机中，将频率调整为300 RPM进行振荡剥离，振荡20 h。离心收集上层清液后冷冻干燥。得到大片层的MXene纳米片。

Claims (7)

1.一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）将MAX材料分散在氟化锂盐酸溶液中，并在35℃下搅拌24 h，将刻蚀产物用去离子水洗涤至离心上清液PH=6±1，并收集底部沉淀；
b）将刻蚀后的材料分散到溶剂中，得到一定浓度的溶液，将溶液装入锥形瓶中在振荡机中振荡一段时间进行剥离；
c）最后离心收集上层清液，得到大尺寸MXene 纳米片。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，其特征在于，所述氟化锂与MAX材料的质量比为1.6:1，所述盐酸溶液浓度为9M。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，其特征在于，步骤b中所述溶剂为水、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤b中溶液浓度为1-10 mg /mL。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，其特征在于，所述振荡机为往复振荡，振荡频率为150至300 RPM。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，其特征在于，所述振荡时间为5-20 h。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸MXene纳米片的制备方法，其特征在于，所得单层MXene片层尺寸为5-10 μm。
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