基于离子液体微乳液剥离制备MXene的方法与流程

基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法
技术领域
1.本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法。


背景技术：

2.mxene是除石墨烯、氮化硼纳米片、二硫化钼纳米片之外的新型二维材料，是指二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物。大量研究表明，mxene与其他二维纳米材料相比具有更优异的导电性、成膜性能和亲水性，而且比表面积大、机械强度高、延展性好。因此，mxene在光学、电子、储能、电磁屏蔽和生物医学等领域得到了广泛的研究和应用。目前研究人员已经发现了多种mxene的制备方法，主要包括氢氟酸蚀刻、水热蚀刻、路易斯酸盐蚀刻、藻类萃取蚀刻、电化学蚀刻、熔盐法和光刻蚀，使用较多的是氟盐和酸的混合物作为刻蚀剂的方法，但是该方法仍然是强酸环境，操作危险，而且易产生含氟有害物。尽管已经有一些温和、少氟的制备方法，但是这些方法都存在着效率低、能耗高等缺点。因此，开发一种温和、少氟、绿色、高效的mxene合成方法对扩大mxene应用领域和加快其商业化的进程有着巨大的促进作用。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种温和、少氟、绿色、高效的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法。
4.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
5.一种基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，包括以下步骤：
6.(1)将水、表面活性剂和离子液体混合，超声、搅拌后，得到离子液体微乳液，离子液体微乳液中，水的质量分数为50％～90％，表面活性剂与离子液体的质量比为10∶1；
7.(2)将离子液体微乳液加酸调节ph值为0～5，然后加入max前体，使max前体在离子液体微乳液中的浓度为0.1g/l～10g/l，再于10℃～80℃温度下搅拌反应，经超声、离心、洗涤、干燥，得到mxene。
8.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(1)中，所述离子液体为具备水解功能的含氟离子液体，所述含氟离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3甲基咪唑六氟磷酸盐和1-己基-3甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或多种。
9.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(1)中，所述表面活性剂为曲拉通-100、曲拉通-405和吐温20-80系列中的一种或多种。
10.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(2)中，所述max前体在离子液体微乳液中的浓度为0.1g/l～2g/l；所述搅拌反应的温度为20℃～40℃。
11.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(2)中，所述max
前体包括ti3alc2和/或v2alc。
12.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(2)中，所述酸包括盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种。
13.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(2)中，所述搅拌反应的时间为24h～72h。
14.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(2)中，所述超声的时间为30min～60min，所述超声在冰水浴中进行，所述离心的速度为8000r/min～10000r/min，所述离心的时间为30min～60min，所述洗涤是采用无水乙醇和水各洗3次，所述干燥为真空干燥，所述真空干燥的温度为20℃～40℃，所述真空干燥的时间为0.1h～24h。
15.上述的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，优选的，步骤(1)中，所述超声的时间为10min～30min，所述搅拌的时间为30min～60min。
16.本发明中，制备方法的产物为多层mxene，其尺寸为1μm～3μm，其表面含有o、f等端基。
17.本发明中，离子液体微乳液为水包离子液体型离子液体微乳液。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.本发明利用max原料，通过使用离子液体，表面活性剂和水调制的离子液体微乳液为反应液，在弱酸、常压、相对较低温度的搅拌条件下实现mxene的合成。本发明可通过调节离子液体的种类得到不同功能基团修饰的产物，进而对材料的性能产生影响。本发明相对于现有的合成方法绿色安全，条件温和，显著降低了能耗，能够规模化生产。
20.本发明以含氟离子液体微乳液和酸为刻蚀剂，降低了反应体系的酸度和氟含量，提高了大规模生产的可操作性。本发明利用高稳定性、绿色环保的离子液体为微乳液组成，既保证了反应体系的稳定性，又降低了环境污染性。
附图说明
21.图1为本发明实施例1-6的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法的机理图。
22.图2为本发明实施例1制得的mxene的扫描电镜照片。
23.图3为本发明实施例1制得的mxene在不同电流密度下的充放电曲线图。
具体实施方式
24.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
25.以下实施例中，用到的max前体为ti3alc2或v2alc，酸为盐酸，离子液体与tx-100的质量比固定为0.1，体系的水含量为0.8。
26.实施例1
27.一种本发明的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，如图1所示，包括以下步骤：
28.(1)称取112g的水于烧杯中，加入2.5455g的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和25.4545g的曲拉通-100(tx-100)，超声10min，磁力搅拌60min，得到澄清透明的离子液体微
乳液，总质量约140g。
29.(2)向上述制得的离子液体微乳液中加入盐酸调节ph值＝0.3，然后称取0.07g的max前体ti3alc2，使max前体的浓度为0.5g/l，再在30℃下搅拌24小时。反应完成后，将反应液在冰水浴中超声1小时，静置1小时，将上层悬浊液以8000r/min的速度离心30min，得到黑色沉淀，用无水乙醇、水各洗涤三次，在30℃下真空干燥24小时，得到ti3c2t
x mxene。得到的mxene的al明显被刻蚀，有着明显的赝电容特性。
30.如图1所示，是离子液体微乳液法制备mxene的机理图(流程图)，含氟离子液体水解产生的氟化物在酸性条件下，对max中的al层进行原位刻蚀，产生了层间间距，并将部分mxene剥离下来。如图2所示，是本实施例制得的mxene的扫描电镜照片，由图可知，制得的mxene拥有多层结构，al被明显刻蚀。图3是本实施例制得的mxene的充放电曲线，由图可知，mxene表现出其具有明显的赝电容特性，其充放电曲线存在着明显的平台部分，说明了存在着法拉第过程，这可能归因于max被刻蚀后产生的高比表面积和大量的活性位点。
31.实施例2
32.一种本发明的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，包括以下步骤：
33.(1)称取112g的水于烧杯中，加入2.5455g的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和25.4545g的tx-100，超声10min，磁力搅拌60min，得到澄清透明的离子液体微乳液，总质量为140g。
34.(2)向上述制得的离子液体微乳液中加入盐酸调节ph值＝0.3，然后称取0.07g的max前体ti3alc2使其浓度为0.5g/l，在30℃下搅拌48小时，反应完成后，将反应液在冰水浴中超声1小时，静置1小时，将上层悬浊液以8000r/min的速度离心30min，得到黑色沉淀，用无水乙醇、水各洗涤三次，在30℃下真空干燥24小时，得到ti3c2t
x mxene，该mxene的al明显被刻蚀，而且具有显著的赝电容特性。
35.实施例3
36.一种本发明的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，包括以下步骤：
37.(1)称取112g的水于烧杯中，加入2.5455g的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和25.4545g的tx-100，超声10min，磁力搅拌60min，得到澄清透明的离子液体微乳液，总质量为140g。
38.(2)向上述制得的离子液体微乳液中加入盐酸调节ph值＝1，然后称取0.07g的max前体ti3alc2使其浓度为0.5g/l，在30℃下搅拌48小时，反应完成后，将反应液在冰水浴中超声1小时，静置1小时，将上层悬浊液以8000r/min的速度离心30min，得到的黑色沉淀，用无水乙醇、水各洗涤三次，在30℃下真空干燥24小时，得到ti3c2t
x mxene，该mxene的al明显被刻蚀，而且具有显著的赝电容特性。
39.实施例4
40.一种本发明的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，包括以下步骤：
41.(1)称取112g的水于烧杯中，加入2.5455g的1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和25.4545g的tx-100，超声10min，磁力搅拌60min，得到澄清透明的离子液体微乳液，总质量为140g。
42.(2)向上述制得的离子液体微乳液中加入盐酸调节ph值＝0.3，然后称取0.07g的max前体ti3alc2使其浓度为0.5g/l，在30℃下搅拌24小时，反应完成后，将反应液在冰水浴
中超声1小时，然后静置1小时，将上层悬浊液以8000r/min的速度离心30min，得到黑色沉淀，用无水乙醇、水各洗涤三次，在30℃下真空干燥24小时，得到ti3c2t
x mxene，该mxene的al明显被刻蚀，而且具有显著的赝电容特性。
43.实施例5
44.一种本发明的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，包括以下步骤：
45.(1)称取112g的水于烧杯中，加入2.5455g的1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和25.4545g的tx-100，超声10min，磁力搅拌60min，得到澄清透明的离子液体微乳液，总质量为140g。
46.(2)向上述制得的离子液体微乳液中加入盐酸调节ph值＝0.3，然后称取0.07g的max前体ti3alc2使其浓度为0.5g/l，在30℃下搅拌24小时，反应完成后，将反应液在冰水浴中超声1小时，然后静置1小时，将上层悬浊液以8000r/min的速度离心30min，得到的黑色沉淀，用无水乙醇、水各洗涤三次，在30℃下真空干燥24小时，得到ti3c2t
x mxene，该mxene的al明显被刻蚀，而且具有显著的赝电容特性。
47.实施例6
48.一种本发明的基于离子液体微乳液剥离制备mxene的方法，包括以下步骤：
49.(1)称取112g的水于烧杯中，加入2.5455g的1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和25.4545g的tx-100，超声10min，磁力搅拌60min，得到澄清透明的离子液体微乳液，总质量为140g。
50.(2)向上述制得的离子液体微乳液中加入盐酸调节ph值＝0.3，然后称取0.07g的max前体v2alc使其浓度为0.5g/l，在30℃下搅拌48小时，反应完成后，将反应液在冰水浴中超声1小时，然后静置1小时，将上层悬浊液以8000r/min的速度离心30min，得到黑色沉淀，用无水乙醇、水各洗涤三次，在30℃下真空干燥24小时，得到v2ct
x mxene，该mxene的al明显被刻蚀，而且具有显著的赝电容特性。
51.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。