本發(fā)明涉及一種鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備和應(yīng)用，屬于二維材料。

背景技術(shù)：

1、自2004年石墨烯的發(fā)現(xiàn)以來(lái)，二維(2d)材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，在科研和工業(yè)應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注。mxene是一種新興的二維過(guò)渡金屬碳氮化物，通常通過(guò)從max相前驅(qū)體中選擇性移除a元素層來(lái)合成。在mxene的命名中，m代表過(guò)渡金屬，如鈦(ti)、釩(v)、鉭(ta)、鋯(zr)、鈮(nb)、鉬(mo)等，而x代表碳和/或氮元素。mxene不僅擁有多樣的表面官能團(tuán)，還具備高電導(dǎo)性，使其在能量存儲(chǔ)、催化、電磁干擾屏蔽、透明導(dǎo)電膜、海水淡化等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

2、ti3c2tx作為mxene家族中第一個(gè)被合成的成員，也是目前研究最為廣泛的mxene材料之一。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，ti3c2tx?mxene擁有較大的比表面積，并且其表面能夠快速進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，這使得它同時(shí)具備雙電層電容和贗電容的特性，展現(xiàn)出較高的比電容值，在超級(jí)電容器領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用前景。鈮具有多變的氧化態(tài)(+2、+3、+4、+5)，因此含有鈮的mxene也表現(xiàn)出卓越的贗電容性能。例如，nb4c3tx展現(xiàn)出較高的比電容，但其倍率性能相對(duì)較低。為了進(jìn)一步提升鈮系mxene的電化學(xué)性能，通過(guò)在mxene的m位或x位摻雜其他元素是一種簡(jiǎn)便而有效的方法。鑒于鈮(nb)與鈦(ti)在周期表中的位置相近，且它們的原子半徑相似(nb的原子半徑為147皮米，ti為146皮米)，制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體，隨后對(duì)其進(jìn)行刻蝕得到鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物(nb1-ytiy)4c3tx是有效地提高鈮系mxene電容性能的方法之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，所述方法是通過(guò)燒結(jié)鈮粉、鈦粉、鋁粉以及單質(zhì)碳的混合物，制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體，隨后對(duì)其進(jìn)行粉碎、刻蝕和插層得到鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物(nb1-ytiy)4c3tx，其中，0<y≤0.4，tx為表面端基，可為氧、羥基、氟、鹵素中的一種或多種。

2、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體的燒結(jié)溫度為1200～1900℃，燒結(jié)時(shí)間為0.5-24h，進(jìn)一步地，優(yōu)選為2-5h。

3、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，用于制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體的原料中，鈦粉摩爾數(shù)為鈦粉和鈮粉摩爾數(shù)之和的1～45％，鈮粉和鈦粉總摩爾數(shù)為鋁粉摩爾數(shù)的2.5～4.5倍，單質(zhì)碳的摩爾數(shù)為鋁粉的1.5～3.5倍。

4、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，用于制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體的原料中，當(dāng)y＞0.3時(shí)，需添加nb粉摩爾質(zhì)量的1～10％的nb2o5替代相應(yīng)比例的nb粉。

5、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，對(duì)max相的刻蝕采用氫氟酸、氫氟酸和無(wú)機(jī)質(zhì)子酸的混合物、氟鹽和無(wú)機(jī)質(zhì)子酸的混合物、氟化氫銨、熔融鹽作為刻蝕劑。

6、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述的無(wú)機(jī)質(zhì)子酸為鹽酸、硫酸、硝酸、氟硼酸、磷酸中的一種或多種。

7、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，刻蝕劑的質(zhì)量濃度≥20％。

8、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所用插層劑為氫氧化四烷基銨的水溶液，氫氧化四烷基銨的烷基為甲基、乙基、丙基、丁基或其組合。

9、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述插層劑的水溶液中氫氧化四烷基銨的質(zhì)量濃度為5～80wt％。

10、本發(fā)明提供上述所述方法制備得到的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物。

11、本發(fā)明還提供上述所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物在超級(jí)電容器、鋰離子電池、電磁屏蔽及電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。

12、本發(fā)明的有益效果：

13、本發(fā)明提供了簡(jiǎn)單有效地制備鈮鈦413相max固溶體和相應(yīng)mxene的方法，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)即可制備max相固溶體，再通過(guò)刻蝕和插層制備得到鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物。鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物和純碳化鈮mxene相比，在作為超級(jí)電容器電極材料時(shí)，具有更好的倍率性能。能夠應(yīng)用于制備超級(jí)電容器、鋰離子電池、電磁屏蔽和電催化領(lǐng)域中，較有應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，通過(guò)燒結(jié)鈮粉、鈦粉、鋁粉以及單質(zhì)碳的混合物，制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體，隨后對(duì)其進(jìn)行粉碎、刻蝕和插層，得到鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物(nb1-ytiy)4c3tx；其中，0<y≤0.4，tx為表面端基。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體的燒結(jié)溫度為1200～1900℃，燒結(jié)時(shí)間為0.5-24h。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，用于制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體的原料中，鈦粉摩爾數(shù)為鈦粉和鈮粉摩爾數(shù)之和的1～45％；鈮粉和鈦粉總摩爾數(shù)為鋁粉摩爾數(shù)的2.5～4.5倍；單質(zhì)碳的摩爾數(shù)為鋁粉的1.5～3.5倍。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，用于制備(nb1-ytiy)4alc3?max相固溶體的原料中，當(dāng)y＞0.3時(shí)，需添加鈮粉摩爾質(zhì)量的1～10％的nb2o5替代相應(yīng)比例的nb粉。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，對(duì)max相的刻蝕采用氫氟酸、氫氟酸和無(wú)機(jī)質(zhì)子酸的混合物、氟鹽和無(wú)機(jī)質(zhì)子酸的混合物、氟化氫銨、熔融鹽作為刻蝕劑。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，所述的無(wú)機(jī)質(zhì)子酸為鹽酸、硫酸、硝酸、氟硼酸中的一種或多種。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，所用刻蝕劑質(zhì)量濃度≥20％。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備方法，其特征在于，插層所用的插層劑為氫氧化四烷基銨的水溶液，氫氧化四烷基銨的烷基為甲基、乙基、丙基、丁基或其組合；氫氧化四烷基銨的水溶液的質(zhì)量濃度為5～80％。

9.權(quán)利要求1～8任一所述方法制備得到的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物。

10.權(quán)利要求9所述的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物在超級(jí)電容器、鋰離子電池、電磁屏蔽及電催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物的制備和應(yīng)用，屬于二維材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過(guò)燒結(jié)鈮粉、鈦粉、鋁粉以及單質(zhì)碳的混合物，制備(Nb<subgt;1?y</subgt;Ti<subgt;y</subgt;)<subgt;4</subgt;AlC<subgt;3</subgt;MAX相固溶體，隨后對(duì)其進(jìn)行粉碎、刻蝕和插層得到鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物(Nb<subgt;1?y</subgt;Ti<subgt;y</subgt;)<subgt;4</subgt;C<subgt;3</subgt;T<subgt;x</subgt;，其中，0<y≤0.4,T<subgt;x</subgt;為表面端基，所得的鈮鈦二維過(guò)渡金屬碳化物具有優(yōu)異的倍率性能。

技術(shù)研發(fā)人員：王利魁,焦亞青,郭鷥
受保護(hù)的技術(shù)使用者：無(wú)錫邁新納米科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/7