[发明专利]一种二维过渡金属碳氮化物及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维过渡金属碳氮化物及其制备方法和应用，属于二维材料技术领域。本发明将MAX相材料加入氟硼酸水溶液中进行常压刻蚀，然后洗涤并加入到氢氧化四烷基铵的水溶液中进行后处理，随后经洗涤可得到二维过渡金属碳氮化物(MXene)材料，该材料可经过手摇、震荡、搅拌、高速分散或者超声可分散于水中可形成稳定分散液。本发明方法避免了氢氟酸的使用，相比氢氟酸刻蚀更安全环保，所得MXene材料在超级电容器、锂离子电池、电磁屏蔽及电催化领域中有较好的应用。

技术领域

本发明属于二维材料技术领域，具体涉及一种二维过渡金属碳氮化物及其制备方法和应用。

背景技术

自2004年石墨烯的发现以来，二维材料因其比表面积大、独特的电子结构及高纵横比等特点而成为学术界的研究热点。二维过渡金属碳氮化物(MXene)作为一种新型的二维过渡金属碳氮化物材料，兼具金属导电性和表面亲水性，只有数个原子厚度，但其表面活性位点多且导电性优异，在超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、电磁屏蔽、导电印刷、电催化及吸附等多个领域具有优异的应用前景，被认为是石墨烯之后最具潜力的二维材料之一。

目前报道的MXene的制备方法主要是采用HF酸或者原位生成的HF酸对MAX相进行刻蚀的方法，去除A层原子，制备MXene材料；比如Naguib等于2011年报道了采用50％HF刻蚀Ti₃AlC₂制备Ti₃C₂T_s的方法；专利CN107001051A公布了采用碱金属氟化物比如LiF、NaF、KF等和无机强酸比如HCl或硫酸的混合物对MAX相进行刻蚀，从而制备MXene材料的方法(MILD法)。然而，这些方法不可避免地涉及氢氟酸的使用或者碱金属氟化物和强酸混合物的使用，后者一经混合即有氢氟酸的产生，而氢氟酸具有很强的腐蚀性，它的使用和后处理都可能产生安全生产及环保方面的因素；另外，这些方法制备的MXene表面都带有较多的F官能团，对材料的电化学性能有负面影响。除此以外，专利CN110540236公开了一种通过过渡金属溴化物或者过渡金属碘化物熔融盐对MAX相进行刻蚀，制备表面官能团为Br或I的MXene，专利CN109437177公开了通过过渡金属氯化物熔融盐刻蚀制备表面官能团为Cl的MXene的方法；这两种方法均需要在400度以上的高温以及惰性气体保护氛围之下进行，对生产设备及环保安全要求较高。因此，有必要找到一种避免使用氢氟酸和碱金属氟化物，操作简便节能，且仍能够有效刻蚀制备得到MXene。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于氟硼酸刻蚀配合特定插层工艺来制备MXene的方法。具体提供如下技术方案：

一种制备二维过渡金属碳氮化物的方法，所述方法是将MAX相材料置于氟硼酸水溶液中，常压下进行刻蚀反应，得到刻蚀产物；然后将刻蚀产物置于氢氧化四烷基铵的水溶液中进行后处理，经过洗涤可得二维过渡金属碳氮化物(MXene)；

所述MAX相材料为M_n+1AX_n，其中，M为过渡金属，A为铝或硅，X为碳和/或氮，n为1、2、3或4。

在本发明的一种实施方式中，所述过渡金属包括Ti、V、Cr、Sc、Zr、Nb、Mo、Hf或Ta中的至少一种。