[发明专利]一种微波熔盐刻蚀制备碳化钛MXene的方法

说明书

本发明公开了一种微波刻蚀制备碳化钛MXene的方法，涉及新材料合成制备技术领域。首先通过碘化亚铜、溴化铜、氯化铜中至少一种，与钛碳化铝混合通过微波加热进行刻蚀，利用去离子水对混合产物进行洗涤，利用氯化铵与氨水的混合溶液对洗涤后的产物进行除杂，洗净后固体产物烘干即得到碳化钛MXene。采用微波加热直接作用于钛碳化铝并快速升温，使得铜盐快速进入熔融状态展现出路易斯酸性，实现钛碳化铝的铝相快速刻蚀。根据所需官能团种类及含量选择不同种类及比例的盐，实现官能团种类的精准调控。采用氯化铵/氨水混合溶液去除未反应铜盐盐，避免使用酸溶液引入杂质官能团。整个工艺过程安全、高效、清洁、环保，低能耗适合工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及新材料合成制备技术领域，具体涉及一种微波熔盐刻蚀制备碳化钛MXene的方法。

背景技术

MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或氮化物层状材料。MXene是通过选择性刻蚀MAX相陶瓷材料中的A相来制备的材料，其中M为过渡金属(Ti、V等)，A主要为Al、Si等，X为C或N，通式可写为M_n+1C_nT_x。由于其独特的二维层状结构、亲水表面和高金属导电性，广泛应用于吸波、储能、催化等领域。碳化钛(Ti₃C₂T_x)MXene在2011年首先被合成，也是被广泛研究的一类MXene。目前主要是通过含有氟离子的水溶液液相选择性刻蚀钛碳化铝中的铝相，例如氢氟酸的水溶液、氟化锂-盐酸混合溶液以及氟化氢铵水溶液等。铝与氟化物的高反应性限制了碳化钛MXene的合成，目前的腐蚀机理仍为使用有害的氢氟酸溶液。然而，上述方法存在反应所用时间长，反应安全性低，反应过程难以控制，产物纯度低，易氧化等问题，不适宜大规模化生产。

相关文献报道MXene表面官能团种类对其物理化学性质影响巨大，与液相刻蚀引入-O、-F、-OH等官能团相比，熔盐法刻蚀能更好的控制官能团种类。CN111403186A及CN112159605A中公开了一种基于熔盐法制备MXene材料的方法，具体的将MAX相陶瓷、氯离子盐或溴离子盐、氯化钠、氯化钾称量后充分球磨混合，然后在真空或惰性气体下高温加热达到熔岩刻蚀的目的，再使用稀盐酸浸泡结合超声清洗，再经去离子水清洗干燥后得到多层MXene材料。但此熔盐技术需多种盐配合使用，反应时间长，后续使用酸溶液清洗，不可避免的引入杂质官能团，不能达到对官能团的精准调控效果。CN 112794328 B中公开了一种制备MXene材料的方法，具体的将MAX相对应的元素单质粉或者合金粉按照摩尔比例称量，接着加入两种或者多种卤化盐，然后置于马弗炉中，升至相应MAX相的合成温度进行保温，后降温至300-900℃并在刚玉坩埚中加入刻蚀剂，保温一定时间之后，冷却至室温；利用去离子水洗去产物中的无机盐，酸洗去产物中刻蚀剂置换出的金属元素单质得到MXene材料。该技术需要在高温操作，安全性低，只适用于氯离子盐，无法满足其他种类官能团材料的需求。

因此，开发一种简单高效、安全、无氧化纯度高、可根据需求控制官能团种类及含量的碳化钛MXene制备方法是至关重要的，能够满足批量生产高质量碳化钛MXene的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波熔盐刻蚀制备碳化钛MXene的方法，解决现有碳化钛MXene制备过程存在的反应所用时间长，安全性低，过程难以控制，产物纯度低，易氧化，表面官能团不可控，以及难以满足大规模工业化生产的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种微波熔盐刻蚀制备碳化钛MXene的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1.称取碘化亚铜、溴化铜、氯化铜中的任意一种或几种，将其置于研钵中研磨，制得物料a，再称取钛碳化铝置于研钵，并充分研磨搅拌至混合均匀，得到物料b，可根据所需官能团种类及含量选择不同种类及比例的盐，实现官能团种类及材料物理化学性能的调控；