[发明专利]一种基于微波辐照快速制备二维纳米材料MXene的方法

说明书

本发明涉及一种基于微波辐照快速制备二维纳米材料MXene的方法，以微波辐照作加热条件，快速加热刻蚀剂，对母相原材料进行选择性刻蚀，再经由超声剥离分层制备而成。与现有的技术相比，本发明基于微波辐照加热的制备工艺将现有MXene制备时间从几十个小时缩短至十几分钟，有效解决了目前MXene制备时间长、操作复杂、成本高等问题。传统方法制备时还需要长时间的有机物的插层处理，而该方法在刻蚀过程中，水分子和离子的插层以及剧烈的反应气体释放大大削弱了MXene层间的结合力，短时间的超声处理即可得到少层、高质量的MXene，且适用于大规模制备。该产物有着与传统制备的MXene同样的高导电性，且近红外波段光的光热转换性能有了较大的提升。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种基于微波辐照快速制备二维纳米材料MXene的方法及应用。

背景技术

二维纳米材料，相比于零维、一维、三维材料，具有超薄尺寸、大比表面积等特点，展现出了许多优异的性能，因此广受研究人员的关注。传统的二维纳米材料如石墨烯，硫化钼、黑磷等，其原材料是由层间的范德华力结合，可通过超声、力学切割等方式直接实现片层的剥离。目前，有一类新兴的MXene二维纳米材料，其母相原材料MAX相(其中M表示过渡族金属，如钛、铌、钽、钒等，A表示铝或者硅，X表示碳或者氮)，则是由金属键键合，需要通过选择性刻蚀以及后续的插层分离处理才得到相应的MXene二维纳米片层材料。MXene纳米材料同时拥有亲水的表面基团和金属的传导性，拥有许多优秀的性能，获得了广泛的关注。同时MXene具有元素多样性，表面官能团可以通过刻蚀剂和反应条件进行调控，在超级电容器、锂电池、传感器、电磁屏蔽、光热转换等领域有重要应用潜力。

但是目前，MXene的制备技术仍然存在很多问题，这严重限制了MXene纳米材料的进一步研究和实际应用。以最常用的一种MXene(Ti₃C₂T_x)为例，其MAX相原材料碳钛化铝(Ti₃AlC₂)中，铝元素相较钛和碳元素更为活泼，易被氢氟酸、盐酸/氟化锂等刻蚀而得到Ti₃C₂T_xMXene。目前最常用的制备方法是，在25-50℃的水浴环境中加热进行缓慢刻蚀，通常需要24至48小时才能完成刻蚀过程，且还需要后续长时间的插层处理才能得到MXene材料，制备流程耗时长，操作复杂。传统的水浴加热温度在时间和空间上分布不均匀，温度升高较慢，如若温度过高，会有杂质生成并发生氧化，因此一般将水浴温度设置为35-45℃，这大大限制了MXene纳米材料的制备速率，且只能小批量合成，提高了制备成本，严重阻碍了MXene的规模化制备和应用。因此，当前亟需开发出一种简便、快速、高质量的MXene制备方法来促进这种性能优异的新型二维材料的进一步研究和应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服当前MXene纳米材料的制备存在耗时长、工艺复杂等问题，而提供一种基于微波辐照快速制备二维纳米材料MXene的方法，改善产物质量，提升其在相关领域的性能，并实现其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种基于微波辐照快速制备二维纳米材料MXene的制备方法，以微波辐照作加热条件，快速加热刻蚀剂，对母相原材料进行选择性刻蚀，再经由超声剥离分层制备而成。

进一步的，所述的母相原材料，即MAX相原材料(其中M表示过渡族金属，如钛、坭、钽、钒等，A表示铝或者硅，X表示碳或者氮)，具有元素多元性，一般为类陶瓷块状材料，具有紧凑的类似三明治的层状结构。常用的是高纯度的钛碳化铝(Ti₃AlC₂)，其中铝相较碳和钛，易被刻蚀掉，还可选用铌碳化铝(Nb₂AlC)、钒碳化铝(V₂AlC)、钼碳化铝(Mo₃AlC₂)等。