一种碳化钛Mxene纳米片的绿色高效制备方法与流程

一种碳化钛mxene纳米片的绿色高效制备方法
技术领域
1.本发明属于无机纳米材料制备技术领域；具体涉及一种ti3c2t
x mxene纳米片的绿色高效制备方法。


背景技术：

2.新型的二维材料mxene由于其优异的热导率、电导率、高光热转换效率和可调的表面等被广泛应用于光驱动、电磁波吸收、热催化、传感等领域。在已知的mxene中，对ti3c2t
x mxene的研究最为广泛，其性能也更为优越和稳定，如ti3c2t
x
具有与石墨烯相当的薄层电阻和大于90％的可见光和红外光透射率，是优良的光电器件候选材料。目前ti3c2t
x
的制备以氢氟酸蚀刻ti3alc2为主，且后续的剥离以有毒的四丁基氢氧化铵为插层剂，制备过程存在极强的腐蚀性和毒性。


技术实现要素：

3.本发明目的是解决现有ti3c2t
x mxene材料在制备过程中存在极强腐蚀性和毒性的问题，而提供一种碳化钛mxene纳米片的绿色高效制备方法。
4.一种碳化钛mxene纳米片的绿色高效制备方法，按以下步骤实现：
5.一、按摩尔比(1.5～2):(1～1.5):(1～1.5):(4～6):(4～6)依次称取碳化钛、钛粉、铝粉、氯化钠和氯化钾混合研磨，置于管式炉中，惰性气氛下煅烧，产物使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体a；
6.二、按摩尔比(0.5～1):(1～5):(1～5):(1～5)依次称取上述粉体a、六水合氯化镍、氯化钾和氯化钠混合研磨，置于管式炉中，惰性气氛下煅烧，产物使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体b；
7.三、按质量体积比为1g:(60～200)ml将上述粉体b与氯化铁溶液混合，磁力搅拌后使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体c；
8.四、取0.5～0.8g的粉体c和0.5～2g的插层剂，然后加入去离子水定容到30ml，磁力搅拌后转移至双铂片系统玻璃电解池中，施加低电压预热，再施加电压进行插层剥离，获得插层剥离后的产物；
9.五、将上述插层剥离后的产物使用去离子水洗涤，然后真空冷冻干燥，获得ti3c2t
x mxene纳米片，完成该制备方法。
10.本发明采用绿色、高效的方法成功制备了ti3c2t
x mxene纳米片材料，以nicl2·
6h2o去除ti3alc2相的al原子层，并以氯化铁去除生成的镍单质，再使用绿色环保的插层剂使ti3c2t
x mxene材料进一步剥离，成功构建ti3c2t
x mxene纳米片材料，制备过程绿色可控，生产效率高，避免了传统制备过程中存在的极强腐蚀性和毒性的问题。
11.本发明制备的ti3c2t
x mxene纳米片，它作为非金属纳米材料使用。
附图说明
12.图1为实施例中粉体a的sem图；
13.图2为实施例中粉体a的sem图；
14.图3为实施例中粉体b的sem图；
15.图4为实施例中粉体a、b、c的xrd图；
16.图5为实施例中插层剥离过程中样品的sem图；
17.图6为实施例中冷冻干燥后所得ti3c2t
x mxene纳米片材料的sem图。
具体实施方式
18.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
19.具体实施方式一：本实施方式一种碳化钛mxene纳米片的绿色高效制备方法，按以下步骤实现：
20.一、按摩尔比(1.5～2):(1～1.5):(1～1.5):(4～6):(4～6)依次称取碳化钛、钛粉、铝粉、氯化钠和氯化钾混合研磨，置于管式炉中，惰性气氛下煅烧，产物使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体a；
21.二、按摩尔比(0.5～1):(1～5):(1～5):(1～5)依次称取上述粉体a、六水合氯化镍、氯化钾和氯化钠混合研磨，置于管式炉中，惰性气氛下煅烧，产物使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体b；
22.三、按质量体积比为1g:(60～200)ml将上述粉体b与氯化铁溶液混合，磁力搅拌后使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体c；
23.四、取0.5～0.8g的粉体c和0.5～2g的插层剂，然后加入去离子水定容到30ml，磁力搅拌后转移至双铂片系统玻璃电解池中，施加低电压预热，再施加电压进行插层剥离，获得插层剥离后的产物；
24.五、将上述插层剥离后的产物使用去离子水洗涤，然后真空冷冻干燥，获得ti3c2t
x mxene纳米片，完成该制备方法。
25.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中所述惰性气氛为氩气或氮气；所述煅烧的温度为1000℃～1400℃，煅烧的时间为3～5h。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
26.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤一中所述去离子水洗涤的次数为2～5次。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
27.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，步骤一中所述烘干的温度为60℃～90℃，时间为4～24h。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
28.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤二中所述惰性气氛为氩气或氮气；所述煅烧的温度为700℃～800℃，煅烧的时间为12～24h。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
29.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤二中所述去离子水洗涤的次数为2～5次。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
30.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，步骤二中所述烘干的温度为50℃～70℃，时间为4～12h。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
31.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，步骤三中所述氯化铁溶液的浓度为0.1～0.5mol/l。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
32.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，步骤三中所述磁力搅拌的时间为1～5h，转速为200～800rpm。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
33.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，步骤三中所述去离子水洗涤的次数为2～5次。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
34.具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是，步骤三中所述烘干的温度为60℃～90℃，时间为4～24h。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
35.具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是，步骤四中所述插层剂为licl、li2so4、na2so4或nacl。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。
36.具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是，步骤四中所述磁力搅拌的时间为5～30min，转速为200～800rpm。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。
37.具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是，步骤四中所述低电压预热：采用的电压为3～5v，预热时间为3～5min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十三之一相同。
38.具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是，步骤四中所述施加电压进行插层剥离：采用的电压为5～20v，剥离时间为10～120min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十四之一相同。
39.具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是，步骤五中所述去离子水洗涤的次数为2～5次。其它步骤及参数与具体实施方式一至十五之一相同。
40.具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是，步骤五中所述真空冷冻干燥的时间为12～24h。其它步骤及参数与具体实施方式一至十六之一相同。
41.通过以下实施例验证本发明的有益效果：
42.实施例：
43.一种碳化钛mxene纳米片的绿色高效制备方法，按以下步骤实现：
44.一、按摩尔比2:1:1.1:4:4依次称取碳化钛、钛粉、铝粉、氯化钠和氯化钾混合研磨，置于管式炉中，惰性气氛下煅烧，产物使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体a；
45.二、按摩尔比1:3:2:2依次称取上述粉体a、六水合氯化镍、氯化钾和氯化钠混合研磨，置于管式炉中，惰性气氛下煅烧，产物使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体
b；
46.三、按质量体积比为1g:100ml将上述粉体b与氯化铁溶液混合，磁力搅拌后使用去离子水洗涤，然后于烘箱中烘干，获得粉体c；
47.四、取0.6g的粉体c和0.6g的插层剂，然后加入去离子水定容到30ml，磁力搅拌后转移至双铂片系统玻璃电解池中，施加低电压预热，再施加电压进行插层剥离，获得插层剥离后的产物；
48.五、将上述插层剥离后的产物使用去离子水洗涤，然后真空冷冻干燥，获得ti3c2t
x mxene纳米片，完成该制备方法。
49.本实施例步骤一中所述惰性气氛为氩气；所述煅烧的温度为1100℃，煅烧的时间为3h。
50.本实施例步骤一中所述去离子水洗涤的次数为3次。
51.本实施例步骤一中所述烘干的温度为65℃，时间为12h。
52.本实施例步骤二中所述惰性气氛为氩气；所述煅烧的温度为750℃，煅烧的时间为12h。
53.本实施例步骤二中所述去离子水洗涤的次数为3次。
54.本实施例步骤二中所述烘干的温度为65℃，时间为10h。
55.本实施例步骤三中所述氯化铁溶液的浓度为0.2mol/l。
56.本实施例步骤三中所述磁力搅拌的时间为4h，转速为720rpm。
57.本实施例步骤三中所述去离子水洗涤的次数为5次。
58.本实施例步骤三中所述烘干的温度为60℃，时间为10h。
59.本实施例步骤四中所述插层剂为licl。
60.本实施例步骤四中所述磁力搅拌的时间为10min，转速为720rpm。
61.本实施例步骤四中所述低电压预热：采用的电压为5v，预热时间为5min。
62.本实施例步骤四中所述施加电压进行插层剥离：采用的电压为7v，剥离时间为20min。
63.本实施例步骤五中所述去离子水洗涤的次数为5次。
64.本实施例步骤五中所述真空冷冻干燥的时间为12h。
65.本实施例中制备所得粉体a的sem谱图，如图1和图2所示，可以看出制备得到了六边形层片状的ti3alc
2 max前体相。
66.本实施例中制备所得粉体b的sem图，从图3所示，可以看出经六水合氯化镍蚀刻后得到了手风琴状ti3c2t
x mxene。
67.本实施例中制备所得粉体a、b、c的xrd图，如图4所示，可以看出经六水合氯化镍蚀刻后，原有ti3alc
2 max前体相的特征峰消失，(002)和(004)晶面明显左移，说明成功合成了ti3c2t
x mxene，与氯化铁溶液反应后生成的杂质单质镍全部消失。
68.本实施例中制备所得插层剥离过程中样品和冷冻干燥后的ti3c2t
x mxene纳米片材料的sem图如图5和6所示，可看出ti3c2t
x mxene被成功剥离成纳米片。
69.本实施例中采用绿色、高效的方法成功制备了ti3c2t
x mxene纳米片材料，以nicl2·
6h2o去除ti3alc2相的al原子层，并以氯化铁去除生成的镍单质，再使用绿色环保的锂离子插层剂使ti3c2t
x mxene材料进一步剥离，制备过程绿色可控，生产效率高。