MXene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶及其制备方法与流程

mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶及其制备方法
技术领域：
1.本发明涉及一种三维材料的制备方法，特指一种通过对mxene与氧化石墨烯(go)质量比控制从而高效稳定地制备出mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶的方法，属材料制备领域。


背景技术：

2.mxene是一类二维过渡金属碳化物或氮化物，它是通过hcl和lif作为刻蚀剂刻蚀制ti3alc2得到ti3c2t
x
，这比直接用hf刻蚀ti3alc2更加安全且操作步骤更为简单。刻蚀制备的mxene材料由单层ti3c2t
x
堆叠组成，整体外形则保持与原料相同，颗粒内ti3c2t
x
片层相互堆叠呈手风琴状，mxene材料层间距通常在2.0
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2.5nm之间，可以通过插层扩大层间距或超声波处理的方法将之剥离为单片。mxene在电化学性能方面与石墨烯近似，具有极高的体积电容和可逆性，同时又因其特殊的元素组成及表面官能团，在机械强度、抗氧化、亲水、化学稳定性等方面表现优异。
3.mxene和go都是二维结构，而三维结构气凝胶因为有较多的孔洞则拥有更大的表面积和层间距，mxene和go的相互插层将会形成多层网状结构有利于电子传递，因此有更加广泛的应用，另外mxene表面存在着
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oh等官能团，呈负电性，也使得mxene具有良好的还原性。
4.三维go组装体在形成的过程中产物的电导率会提高，再结合自身的结构特点，go组装体的特性将会赋予它在实际应用中有卓越的性能，而且在相应的条件下，二维的go可以成为三维go的组装体，这使go在绿色能源领域的应用进一步发展。因此，有关go组装体与其它材料复合的研究就获得了很大的关注。
5.mxene和go复合形成三维异质结结构，在电催化和吸附过程中都有良好的性能，拟构筑mxene/go三维结构，二者的结合赋予了复合材料更优异的性能。三维mxene/go以go为载体，表面负载有典型类石墨烯材料—mxene，这种复合材料兼具mxene和go的优良性能，性能上优于单纯的mxene和go。


技术实现要素：

6.本发明已经考虑到现有技术中存在制备繁琐和效率低等问题，目的在于提供一种简单有效的三维异质结气凝胶材料的制备方法,按特定质量比将mxene和go相互掺杂以制备mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶的方法。
7.本发明采用的技术方案是，取制备好的mxene溶液和已知浓度的go溶液按照特定的质量比1:16、1:8、1:4混合然后进行冷冻干燥，就会得到不同比例的mxene和go复合的mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶材料。
8.进一步，这种mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：
9.步骤1、mxene悬浮液的制备：配制一定浓度的盐酸，将配制好的盐酸溶液倒入聚四
氟乙烯的烧杯中并放在加热型磁力搅拌器上搅拌，称量一定质量比的lif和ti3alc2，并将其缓慢加入聚四氟乙烯烧杯中，盖上保鲜膜，开始进行加热搅拌。反应完成后关闭仪器，使之自然冷却至室温，然后加入蒸馏水，将稀释后的试液转移至烧杯中，静置几个小时后，取洁净的离心管，将上层清液倒入其中，并在沉淀中重新加水，超声半小时后进行离心，形成均匀的悬浮液，再用移液管将悬浮液吸出，放入洁净的离心瓶中，用水对悬浮液进行离心洗涤再用ph试纸测溶液的ph，直到溶液呈中性为止。
10.步骤2、将已有的2mg/ml氧化石墨烯水溶液进行超声。
11.步骤3、mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶的制备：取洁净离心管待用，将制备好的mxene悬浮液稀释并进行超声，得到均匀的mxene溶液；将mxene与go按特定的质量比分别在洁净的离心管中混合，超声使二者充分混合后再进行冷冻。最后将冷冻好的mxene/go混合溶液放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，即得到mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶。
12.所述步骤1中：所述加热温度为40℃，反应时间为12h，离心机的转速设置为4000r/min，水洗约5
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6次，称取的ti3alc2和lif质量比约为1:1.6至1:2。
13.所述步骤3中：冷冻干燥时间为24
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30h。
14.本发明的有益效果是：该制备工艺具有较好的稳定性和重复性，制备而成的复合材料比表面积大，多层的网状结构也有利于电子传递，且还具有良好的还原性，在绝热、储能以及重金属的回收利用等方面都有很好的应用。
附图说明：
15.图1为本发明的mxene与go质量比为1:8时制备出的mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶sem图。
具体实施方式：
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加凸显，以下结合实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.实施案例1：
18.步骤1、取9mol/l盐酸7.5ml，配制10ml 6.75mol/l的盐酸溶液，将配制好的盐酸溶液倒入聚四氟乙烯的烧杯中并放在加热型磁力搅拌器上搅拌，称量0.8g lif和0.5g ti3alc2，并将其缓慢加入聚四氟乙烯烧杯中，盖上保鲜膜，开始进行加热搅拌。反应完成后关闭仪器，使之自然冷却至室温。然后加入蒸馏水，将稀释后的试液转移至烧杯中，静置几个小时后，取洁净的离心管，将上层清液倒入其中，并在沉淀中重新加水，超声半小时后进行离心，离心形成均匀的悬浮液，再用移液管将悬浮液吸出，放入洁净的离心瓶中，用水对悬浮液进行离心洗涤，并测其ph，直到悬浮液呈中性为止。
19.步骤2、将已有的2mg/ml氧化石墨烯水溶液进行超声。
20.步骤3、制备mxene和go质量比为1:16的mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶：取洁净离心管待用，将制备的1.065mg/ml的mxene悬浮液超声分散1h，得到均匀的mxene溶液。取上述的go溶液8ml和mxene溶液0.94ml，在洁净的离心管中混合并超声，二者充分混合后进行冷冻。最后将冷冻好的mxene/go混合溶液，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥24
‑
30h，即
得到mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶。
21.实施案例2：
22.步骤1、取9mol/l盐酸7.8ml，配制10ml 7mol/l的盐酸溶液，将配制好的盐酸溶液倒入聚四氟乙烯的烧杯中并放在加热型磁力搅拌器上搅拌，称量1.44g lif和0.8g ti3alc2，并将其缓慢加入聚四氟乙烯烧杯中，盖上保鲜膜，开始进行加热搅拌。反应完成后关闭仪器，使之自然冷却至室温。然后加入蒸馏水，将稀释后的试液转移至烧杯中，静置几个小时后，取洁净的离心管，将上层清液倒入其中，并在沉淀中重新加水，超声半小时后进行离心，离心后形成均匀的悬浮液，再用移液管将悬浮液吸出，放入洁净的离心瓶中，用水对悬浮液进行离心洗涤，并测其ph，直到悬浮液呈中性为止。
23.步骤2、将已有的2mg/ml氧化石墨烯水溶液进行超声。
24.步骤3、制备mxene和go质量比为1:8的mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶：取洁净离心管待用，将制备的1.065mg/ml的mxene悬浮液超声分散，得到均匀的mxene溶液；取上述的go溶液8ml和mxene溶液1.88ml，在洁净的离心管中混合并超声，二者充分混合后进行冷冻。最后将冷冻好的mxene/go混合溶液，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥24
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30h，即得到mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶。
25.实施案例3：
26.步骤1、取9mol/l盐酸8.3ml，配制10ml 7.5mol/l的盐酸溶液，将配制好的盐酸溶液倒入聚四氟乙烯的烧杯中并放在加热型磁力搅拌器上搅拌，称量1.8g lif和0.9g ti3alc2，并将其缓慢加入聚四氟乙烯烧杯中，盖上保鲜膜，开始进行加热搅拌。反应完成后关闭仪器，使之自然冷却至室温，再向其中加入蒸馏水，将稀释后的试液转移至烧杯中，静置几个小时后，取洁净的离心管，将上层清液倒入其中，并在沉淀中重新加水，超声半小时后进行离心，离心形成均匀的悬浮液，再用移液管将悬浮液吸出，放入洁净的离心瓶中，用水对悬浮液进行离心洗涤，并测其ph，直到悬浮液呈中性为止。
27.步骤2、将已有的2mg/ml氧化石墨烯水溶液进行超声。
28.步骤3、制备mxene和go质量比为1:4的mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶：取洁净离心管待用，将制备的1.065mg/ml的mxene悬浮液超声分散，得到均匀的mxene溶液；取上述的go溶液8ml和mxene溶液3.76ml，在洁净的离心管中混合并超声，二者充分混合后进行冷冻。最后将冷冻好的mxene/go混合溶液，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥24
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30h，即得到mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶。
29.由附图1可见，组装体中mxene柔性片层的堆叠、交错，形成了丰富的三维孔道结构，尺寸分布在微米到纳米范围，与其他文献报道的组装体类似。按照这种质量比制备出来的气凝胶更加细致，孔道也更小，这种三维结构有利于增加复合材料的比表面积，在mxene/氧化石墨烯三维异质结气凝胶中mxene和go的相互插层将会形成多层网状结构有利于电子传递，从这一方面也能看出按此质量比进行混合是完全可以制备出所要的三维异质结气凝胶材料的。
30.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。