一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料的制備方法與流程

本發明屬于納米功能材料制備技術領域,具體涉及一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料的制備方法。

背景技術：

MXene作為一類新型二維納米材料于2011年首次報道，主要通過氧氟酸選擇性的腐蝕除去原料MAX相中的A成分制備得到。MXene是一種新型過渡金屬碳化物二維材料，具有類石墨烯結構，由于其獨特的二維層狀結構、較大的比表面積、良好的電容性和親水性，使其在功能陶瓷、吸波材料、超級電容器，離子電池等領域有了初步應用。碳納米材料具有低密度、高強度、高比表面積、優異的熱和化學穩定性以及良好的電化學性質，成為相關人員的研究熱點。由于特殊形狀和大小，碳納米顆粒被引入到其他物質中作為改性增強物質，已廣泛應用于吸波，吸附，催化，電化學等領域。

MXene材料本身得到了較為廣泛的研究，但MXene材料特性單一、表面缺陷較多、層間距小等缺點限制了該材料的進一步應用。將碳納米材料引入到MXene材料層間和表面能夠極大地增加其比表面積，進一步提高MXene片層的利用率；所得復合材料兼具碳納米材料特性，可增強MXene材料導電性質和介電性質，拓展MXene材料的應用空間。

雖然現階段關于MXene的相關工作發展迅猛，但是關于其組裝的工作并不多，將碳納米材料引入到Mxene材料中尚未有專利報道。

技術實現要素：

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料的制備方法，針對MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料特性單一、表面缺陷較多、層間距小等缺點。

技術方案

一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料的制備方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將MAX陶瓷粉料浸沒在質量分數為10～40wt％的HF溶液中，MAX濃度為0.05～0.1g/ml；然后在溫度20～65℃之下磁力攪拌反應10～120h；

采用去離子水離心洗滌至溶液pH值為7，真空抽濾得到固態物質，40～80℃真空干燥8～40h，得到二元層狀納米材料MXene；

步驟2：將MXene置于單糖溶液中，超聲分散0.5～24h，在真空條件下浸漬2～10h得到混合溶液；

所述單糖溶液為濃度為0.1～1mol/L的單糖溶液；所述MXene與單糖質量比為0.1～2；

步驟3：將混合溶液導入水熱反應釜內膽中，升溫至150～220℃，保溫2～20h，反應結束后自然冷卻到室溫得到沉淀產物；所述反應釜內膽填充度為60～80％；

步驟4：將所得沉淀產物用去離子水離心洗滌至溶液pH值為7，真空抽濾得到固態樣品，在40～100℃真空干燥8～40h，即得到碳納米顆粒分布在MXene材料的層間與表面的碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料。

所述單糖溶液采用超聲分散得到均勻單糖溶液。

所述單糖可為果糖或葡萄糖。

所用MAX陶瓷粉料粒徑為0.1～30μm，純度≥98％。

當MAX陶瓷粉料為Ti₃AlC₂或Ti₂AlC時，得到的二元層狀納米材料Mxene為Ti₃C₂或Ti₂C。

有益效果

本發明提出的一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料的制備方法，采用水熱法將碳納米顆粒在MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料層間和表面生成，包括：二維層狀碳化鈦納米材料MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)的氫氟酸腐蝕制備；經超聲，真空浸漬，水熱等步驟處理原料MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)和單糖，使碳納米顆粒在MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料層間和表面生成，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料。其方法簡單高效適合大量制備。獲得的復合材料增強了單一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的力學性能，提高其結構穩定性；復合材料有效地增大了MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的比表面積，并使其兼具碳納米材料的特殊性質，具有具有更加優異的介電及電化學性質。因此碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦納米復合材料的性能優于單一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料，其應用將更加廣泛。

通過該方法制備的復合材料彌補了單一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的缺點，兼具二維納米碳化鈦材料與碳納米材料的特性。該方法具有原料無毒無污染、成本低廉、制備工藝簡單、反應可控等優點。

附圖說明

圖1是本發明方法的工藝流程圖

圖2(a)為MXene的SEM圖譜；圖2(b)為MXene負載碳納米顆粒的SEM圖譜

具體實施方式

現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：

實施實例一

本實施例包括以下步驟：

(1)稱量10g Ti₃AlC₂陶瓷粉料，浸沒在200ml濃度為40wt％HF溶液中常溫下磁力攪拌反應80h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，80℃真空干燥40h，即得到MXene(Ti₃C₂)納米材料。其形貌如圖2(a)所示。

(2)取1.26g葡萄糖溶解于70ml去離子水中，超聲分散5h，獲得單糖溶液；將0.63g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₃C₂)加入到配制好的葡萄糖溶液之中，超聲分散24h，真空浸漬10h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應釜中在180℃下反應6h，所述反應釜內膽填充度為60～80％；

(4)將所得產物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態樣品，在100℃真空干燥40h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料。其形貌如圖2(b)所示。

實施實例二

本實施例包括以下步驟：

(1)稱量1g Ti₂AlC陶瓷粉料,浸沒在10ml濃度為10wt％HF溶液中40℃下磁力攪拌反應10h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，40℃真空干燥8h，即得到MXene(Ti₂C)納米材料。

(2)取5g葡萄糖溶解于30ml去離子水中，超聲分散0.5h，獲得葡萄糖溶液，將0.5g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₂C)加入到配制好的葡萄糖溶液之中，超聲分散0.5h，真空浸漬4h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應釜中在150℃下反應10h；所述反應釜內膽填充度為60～80％；

(4)將所得產物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態樣品，在80℃真空干燥8h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料。

實施實例三

本實施例包括以下步驟：

(1)稱量20g Ti₃AlC₂陶瓷粉料,浸沒在400ml濃度為30wt％HF溶液中65℃下磁力攪拌反應120h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，60℃真空干燥24h，即得到MXene(Ti₃C₂)納米材料。

(2)取4g果糖溶解于30ml去離子水中，超聲分散2h，獲得果糖溶液，將1g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₃C₂)加入到配制好的果糖溶液之中，超聲分散10h，真空浸漬2h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應釜中在220℃下反應20h；所述反應釜內膽填充度為60～80％；

(4)將所得產物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態樣品，在100℃真空干燥20h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料。

實施實例四

本實施例包括以下步驟：

(1)稱量10g Ti₂AlC陶瓷粉料,浸沒在200ml濃度為20wt％HF溶液中20℃下磁力攪拌反應20h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，50℃真空干燥30h，即得到MXene(Ti₂C)納米材料。

(2)取4g果糖溶解于60ml去離子水中，超聲分散2h，獲得果糖溶液；將2g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₂C)加入到配制好的果糖溶液之中，超聲分散10h，真空浸漬5h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應釜中在200℃下反應20h；所述反應釜內膽填充度為60～80％；

(4)將所得產物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態樣品，在70℃真空干燥20h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復合材料。