[发明专利]一种大片层可控孔洞化MXene纳米片的制备方法

说明书

本发明公开了一种大片层可控孔洞化MXene纳米片的制备方法，该方法先将Ti₃AlC₂粉末用氢氟酸刻蚀掉其中的Al元素，得到多层MXene；然后将多层MXene在六亚甲基四胺催化氧化作用下进行水热反应，得到MXene/TiO₂复合材料；最后利用过量氢氟酸处理去除TiO₂，得到二维孔洞化MXene纳米片。本发明在六亚甲基四胺催化氧化作用下，MXene片层上Ti在水热反应条件下被快速氧化，且可以通过调节反应时间、反应温度控制Ti氧化程度及制备得到不同粒径大小的MXene/TiO₂复合材料，并在此基础上制备得到孔径可控、孔分布均匀的二维孔洞化Mxene纳米片材料，有望进一步改善MXene做锂离子电池等储能装置电极材料性质。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种大片层可控孔洞化MXene纳米片的制备方法。

背景技术

二维层状材料具有高比表面积、高活性位点及快速离子扩散路径等优势，已经在电催化、超级电容器和二次电池等储能领域被广泛应用。众多二维纳米材料中，过渡金属碳/氮化物材料是一类新型二维晶体，化学通式为M_n+1X_nT_z(M：过渡金属元素；X：碳或氮元素；T：活性官能团)，具有与石墨烯类似的层状结构，且表面存在F-，OH-，O^2-等官能团。由于MAX相种类众多，包含多种元素，在氢氟酸(HF) 的作用下可以选择性刻蚀掉其中的金属原子，自上而下剥离得到类石墨烯结构的二维层状晶体，具有不同的物理化学性质。目前，研究最为普遍的一种物质是Ti₃AlC₂，在HF酸作用下Al原子被选择性刻蚀，剥离得到Ti₃AlC₂纳米片。这类材料具有优异的导电性，比表面积较大，活性位点多，具有良好的电学、磁学以及力学性能等，有望应用在储能、催化、吸附等各个领域。

目前，关于制备MXene纳米片的常见方法主要包括两种：一种是自下而上生长制备高质量薄膜技术，但无法获得单层纳米片；另一类是自上而下化学剥离制备单层纳米片。将其应用于储能领域具有导电性好等优势，但其在垂直方向上通过平面的电导率有限，致使材料倍率性能等会有下降，对开发高容量和快速充放电电极材料不利。研究表明采用在片层上形成孔洞化的方式来进行改性，可以克服纳米片层组装的堆叠问题，能够加快离子和电子快速传输到电极结构内部，同时可以提高电解液对电极材料浸润性等。但对于制备可精细调控的孔径均匀MXene纳米片的报道较少，严重影响了孔洞化MXene材料的发展。因此，开发粒径均匀、尺寸可控的二维MXene纳米片层制备新技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、孔径均匀、尺寸可控的二维孔洞化MXene 纳米片的制备方法。

针对上述目的，本发明所采用的技术方案由下述步骤组成：

(1)将Ti₃AlC₂粉末加入到氢氟酸中，搅拌充分反应使其中Al元素被完全刻蚀掉，将刻蚀后物质洗至中性后冷冻干燥，得到多层MXene；

(2)将多层MXene加入到蒸馏水和乙醇的混合液中，超声分散30～60分钟后搅拌10～24小时，再加入六亚甲基四胺，在反应釜中120～160℃水热反应5～ 12小时，所得产物用水和乙醇洗涤至中性后真空干燥，得到MXene/TiO₂复合材料；

(3)利用过量氢氟酸处理MXene/TiO₂复合材料以去除TiO₂，得到二维孔洞化 MXene纳米片。

上述步骤(1)和步骤(3)中，所述氢氟酸是质量浓度为25％～35％的氟化氢水溶液。

上述步骤(2)中，优选多层MXene与六亚甲基四胺的质量为1：0.5～0.8。