本發(fā)明涉及化學(xué)制備領(lǐng)域，尤其涉及一種層狀結(jié)構(gòu)mxene的刻蝕方法及mxene。

背景技術(shù)：

1、在過去的十幾年里，二維材料(2d)mxene吸引了各個(gè)領(lǐng)域研究人員的研究興趣。mxene具有優(yōu)良的金屬導(dǎo)電性、親水性、易加工性、產(chǎn)率相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)。這些特性使它從眾多2d材料中脫穎而出，成為儲(chǔ)能、電磁吸收、催化和傳感器應(yīng)用中有前途的候選者。mxene是由max刻蝕的得到，max為層狀碳化物或氮化物，通式為mn+1axn(n＝1～4)。“m”代表早期的過渡金屬(如ti、v)，“a”主要包括如al、si等ⅲa和ⅳa族元素，“x”是c或n。mxene通式為mn+1xn。它們通過從層狀陶瓷材料max相中選擇性蝕刻“a”元素來生產(chǎn)的。如max是ti2alc，則刻蝕得到的mxene為ti2c。

2、通常，m-x鍵提供離子和共價(jià)特性，表現(xiàn)出比m-a鍵更高的結(jié)合能。因此，max中的m-a鍵比m-x鍵更容易斷裂。然而，由于存在m-a鍵，mxene從本體max相中機(jī)械剝離是困難的。常見的mxene的合成是基于在hf溶液或形成原位hf溶液對(duì)相應(yīng)max相的a層進(jìn)行選擇性蝕刻。然而，由于有毒和腐蝕性hf的形成，這些方法對(duì)人類安全和環(huán)境造成重大風(fēng)險(xiǎn)；此外，濕化學(xué)刻蝕方法制備合成的mxene表面含有大量f-官能團(tuán)，影響了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)和電池中的應(yīng)用。因此，迫切需要探尋用于mxene制備的無氟方法。

3、已經(jīng)報(bào)道過無氟的方法，如hcl水熱法、路易斯酸熔鹽刻蝕法、電化學(xué)刻蝕法、化學(xué)氣相沉積法、球磨法、尖端超聲法等方法。這些方法大多反應(yīng)時(shí)間長、產(chǎn)量小、合成效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用熔融堿刻蝕max生產(chǎn)mxene的方法，并且可以實(shí)現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)mxene的宏量制備。本發(fā)明采用熔融堿刻蝕法簡單可控的合成了mxene，該制備方法可以適用于工廠大量生產(chǎn)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種層狀結(jié)構(gòu)mxene的刻蝕方法，以熔融堿為刻蝕劑，其包括如下步驟：

4、將堿放入坩堝中加熱熔化，使其成為熔融堿；

5、熔化至反應(yīng)溫度后，加入max粉末并攪拌；

6、反應(yīng)一定時(shí)間后，停止加熱；

7、將反應(yīng)物洗滌、過濾、烘干得到mxene。

8、本發(fā)明以max為前驅(qū)體，以熔融堿為刻蝕劑，通過堿選擇性刻蝕max中的鋁層制備層狀mxene。

9、其反應(yīng)機(jī)理如下：(以氫氧化鈉刻蝕ti2alc為例)

10、熔融氫氧化鈉表現(xiàn)出強(qiáng)堿性和強(qiáng)腐蝕性，能與還原性強(qiáng)的兩性活潑金屬鋁反應(yīng)。在ti2alc與熔融氫氧化鈉反應(yīng)時(shí)，熔融狀態(tài)下的oh-破壞ti-al鍵，鋁失去電子變成鋁離子(少量鈦被氧化為鈦酸鹽)，而氫氧化鈉中的氫獲得電子生成氫氣。不同于水溶液體系，高溫熔融條件克服了反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)阻礙，鋁離子與氧結(jié)合形成穩(wěn)定的鋁酸根離子。由于在熔融狀態(tài)下，鈉離子大量存在，鋁酸根離子與鈉離子結(jié)合形成na3alo3。高流動(dòng)性的熔融氫氧化鈉能夠充分滲透到max相中的al原子層，將al原子從層間刻蝕去除；產(chǎn)生的h2能有效擴(kuò)大層間距并增加al的反應(yīng)位點(diǎn)。這使得本發(fā)明的熔融堿刻蝕法能在30min時(shí)間內(nèi)將ti2alc?max相無氟快速刻蝕為具有寬層間距的ti2c?mxene。

11、其中，所述刻蝕方法還包括多次刻蝕的步驟，所述多次刻蝕是采用上一次刻蝕的產(chǎn)物作為原料重復(fù)步驟3至步驟4。將產(chǎn)物二次或三次刻蝕后的形貌更佳。

12、此處需要說明的是，刻蝕max的堿有多種，堿為強(qiáng)堿中的一種或多種的混合物，強(qiáng)堿可以是氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀，堿的純度不低于95％。

13、max為碳鋁鈦，例如ti2alc、ti3alc2。

14、其中所述刻蝕反應(yīng)的溫度為200℃至1000℃。優(yōu)選的，所述刻蝕反應(yīng)的溫度為200℃至600℃。

15、其中所述刻蝕反應(yīng)的時(shí)間為1min至2h。通過控制刻蝕的溫度和時(shí)間可以調(diào)控mxene的刻蝕程度和刻蝕率。

16、所述洗滌包括水洗和酸洗。具體的，將反應(yīng)物洗滌、過濾、烘干具體操作為轉(zhuǎn)移反應(yīng)物到燒杯(優(yōu)選聚四氟乙烯燒杯)中并滴加去離子水，可以將反應(yīng)物快速溶解為溶液；抽濾溶液，目標(biāo)產(chǎn)物與堿液和鋁鹽分離；將溶液抽濾得到的顆粒用酸酸洗，可以洗掉殘留在max層間的鋁氧化物鹽，得到具有手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)的mxene。

17、其中所述酸洗劑為濃鹽酸(36wt％～38wt％)及其稀釋物，酸洗時(shí)間為5min～3h。

18、其中，反應(yīng)過程中還包括對(duì)所述反應(yīng)物進(jìn)行攪拌或吹氣的步驟?？涛g過程充分?jǐn)嚢杌虼禋?，能夠增?qiáng)刻蝕過程動(dòng)力學(xué)條件，使鋁的氧化物鹽及時(shí)從max表面脫除。

19、其中，堿與max粉末的質(zhì)量比為1：1至100：1。優(yōu)選的，堿與max粉末的質(zhì)量比為10：1至100：1。

20、本發(fā)明的有益效果是：

21、(1)與現(xiàn)有的制備方法相比，本發(fā)明的制備方法無氟參與，刻蝕時(shí)間短，刻蝕溫度低，生產(chǎn)速度快，生產(chǎn)設(shè)備更加簡單。堿和max可在敞開的環(huán)境中加熱，不需要真空或氬氣氛圍，生產(chǎn)條件簡單；熔融堿刻蝕所需時(shí)間短，刻蝕5min便可得到層狀結(jié)構(gòu)的mxene。

22、(2)產(chǎn)物mxene的層狀結(jié)構(gòu)縱深狹長，層與層之間清晰分割，避免了傳統(tǒng)mxene的層間堆疊現(xiàn)象，也即存在寡層max，產(chǎn)物具有良好的物理性質(zhì)。

23、(3)本發(fā)明的制備方法可以實(shí)現(xiàn)mxene的宏量制備，有利于科研推廣和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

技術(shù)特征：

1.一種層狀結(jié)構(gòu)mxene的刻蝕方法，其特征在于，以熔融堿為刻蝕劑，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕方法還包括多次刻蝕的步驟，所述多次刻蝕是采用上一次刻蝕的產(chǎn)物作為原料重復(fù)步驟3至步驟4。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，所述洗滌包括水洗和酸洗，所述酸洗采用的酸洗劑為濃鹽酸及其稀釋物，酸洗時(shí)間為5min～3h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，max為碳鋁鈦；所述堿為強(qiáng)堿中的一種或多種的混合物。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的刻蝕方法，其特征在于，所述堿為氫氧化鈉和氫氧化鉀的混合物。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的刻蝕方法，其特征在于，所述氫氧化鈉和氫氧化鉀的摩爾比為1:1。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，所述反應(yīng)溫度為200℃至1000℃；所述反應(yīng)時(shí)間為1min至2h。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，反應(yīng)過程中還包括對(duì)所述反應(yīng)物進(jìn)行攪拌或吹氣的步驟。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，堿與max粉末的質(zhì)量比為1：1至100：1。

10.權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述的層狀結(jié)構(gòu)mxene的刻蝕方法得到的mxene。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種層狀結(jié)構(gòu)MXene的刻蝕方法及MXene，該方法以熔融堿為刻蝕劑，包括如下步驟：步驟1：將堿加熱熔化使其成為熔融堿；步驟2：熔化至反應(yīng)溫度后，加入MAX粉末并攪拌；步驟3：反應(yīng)一定時(shí)間后，停止加熱；步驟4：將反應(yīng)物洗滌、過濾、烘干得到MXene。與現(xiàn)有的MXene刻蝕方法相比，本發(fā)明的刻蝕方法刻蝕時(shí)間短、無氟參與、生產(chǎn)設(shè)備簡單、生產(chǎn)規(guī)模易擴(kuò)大。

技術(shù)研發(fā)人員：黃青松,卿樂羅,常智,劉中清,高峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：四川大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15