[发明专利]层间键合的A-MXene纳米片、薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种层间键合的A‑MXene纳米片、薄膜及其制备方法，其中该A‑MXene纳米片的MXene片层之间存在M‑A‑M的键合点或键合段，所述A选自VIIB、VIII、IB、IIB、IIIA、IVA、VA或VIA族元素中的至少一种，所述M代表MXene片层中的过渡金属元素；步骤包括：将初始MXene材料与A的单质或A的化合物在预定温度下反应预定时间，得到具有手风琴形貌的产物，所述初始MXene材料为含有‑Cl、‑Br或‑I官能团的MXene材料；将所述具有手风琴形貌的产物剥离。本发明针对含‑Cl官能团的MXene材料电阻较高的技术问题，提供了一种新的改性路径。

技术领域

本发明是属于新材料领域，特别是关于一种层间键合的A-MXene纳米片、薄膜及其制备方法。

背景技术

MXene材料，也即二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，是由层状陶瓷材料MAX相刻蚀去除A元素后得到的一类新型二维纳米材料。MXene的化学式可表示为M_n+1X_nT_x，其中M代表前过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo等)，X代表C或/和N元素，T代表表面端基(-O、-OH、-F等)。由于MAX相组成和结构的多样性，由其衍生的MXene材料也成为二维材料中最为庞大的家族，理论预测有100多种，目前已合成的有40多种。自2011年由美国德雷塞尔大学的研究者们首次报道以来，MXene材料发展至今只有十年多时间，但组成和结构的多样性赋予了MXene材料丰富可调的电、磁、光、热和机械等性能，使其得到了国内外不同领域研究者们的广泛关注，并成为继石墨烯之后二维纳米材料领域一颗冉冉升起的新星。

MXene材料的制备方法对得到MXene材料的结构、形貌及性能具有直接的影响。目前，MXene材料的制备方法关注于如何从前驱体MAX相剥离得到二维MXene材料。该些方法离不开含有氟离子的参与，最早被报道的刻蚀法就是HF刻蚀法，可用于刻蚀大多数A原子层为Al的MAX相。其原理为HF中的F^-与Al原子反应生成AIF₃，从而使M-Al键断开，Al子层被选择性刻蚀除去，而M-X层则不受影响。刻蚀过程中伴随着H₂的生成和逸出，MAX相的层状块体结构逐渐转变为由大量二维MXene片层通过范德华力堆叠而成的蓬松的“手风琴”结构，即多片层MXene。HF刻蚀所得的多片层MXene经过插层剂的插层可以减弱其层间范德华力，再经超声处理即可被剥离为单层MXene纳米片。原位形成HF刻蚀法是一种改进的刻蚀方法，将含氟盐(LiF、NaF、KF等)和酸(HCI、H₂SO₄等)混合作为刻蚀剂，避免了高腐蚀性HF的直接使用，更重要的是，该法中的LiF/HC1刻蚀体系能够在刻蚀后直接通过手摇法或温和的超声处理将手风琴状MXene剥离为单层MXene纳米片。由于无需额外的插层步骤，MXene纳米片的制备流程大大简化，该法成为目前应用最为广泛的刻蚀方法。但是这种通过液相刻蚀得到的含氟官能团(-F)的MXene材料通常表现出极差的稳定性。MXene分散在水中时会迅速氧化并降解，形成金属氧化物和碳。

本申请人在先专利申请(申请号：202011466046.4)还提出了气相法制备MXene，采用气相刻蚀剂卤族氢化物、金属卤化物、氮族氢化物等作为刻蚀剂制备得到具有手风琴形貌的MXene材料，其中得到了以卤族元素-Cl封端的MXene材料表现出很好的稳定性，这与通过液体蚀刻产生的含-F官能团的MXene表现出很差的稳定性形成对比。但是，这些-Cl封端的MXene表现相对高的电阻(10⁴Ω/□)，限制了这类MXene材料的应用。

发明内容