一种氮化钛MXene纳米片的制备方法

一种氮化钛mxene纳米片的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种制备氮化钛mxene的方法，属于二维材料制备领域。


背景技术：

2.2011年naguib等人首次成功通过max相这种陶瓷材料制备出一种新型的过渡金属碳化物和/或碳氮化物，其具有独特的层状结构和优异的亲水性和电化学性能，因其独特的二维层状结构和石墨烯非常类似，因此被研究人员成为mxene，它的化学通式可以用m
n+1
x
n
t
x
(n＝1,2,3)，m为过渡金属元素，如ti；x为c或n元素；t为表面官能团，比如
‑
oh等。近年来的研究表明，mxene在抗氧化、光催化和超级电容器等领域具有巨大的研究价值。
3.理论研究表明，mxene是一个大家族，但是目前仅有少数mxene材料得到了完整的制备、性能和机理研究，比如ti3c2‑
mxene，所以研究者们仍然需要开发新型的mxene材料，研究成熟合理的制备工艺，比如ti2n
‑
mxene，它也属于mxene大家族中的一员，但是目前仍然缺少系统有效的制备方法。一般说来，mxene材料可以通过max相经过氢氟酸刻蚀得到。但是对于不同的max相和不同的mxene材料，氢氟酸的用量和刻蚀时间也应当进行调整。如果氢氟酸用量过多且反应时间过久，会导致制备得到的mxene材料被过度氧化，破坏其本征结构，不利于后续的应用研究。对于ti2n
‑
mxene而言，表面过渡金属ti的3d轨道上存在着未极化的孤立或单电子，是一个不稳定的状态，因此在采用氢氟酸的刻蚀体系时，对实验条件的选择会更加敏感，我们需要调整合适的氢氟酸用量和反应时长，来得到完整理想的二维ti2n
‑
mxene结构。在本发明中，我们采用氢氟酸hf和kf氟化钾的复合刻蚀溶液体系来对ti2aln这种max相进行刻蚀，并保证反应在尽量隔绝空气的条件下进行，最终得到二维ti2n
‑
mxene。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种操作简单，经济高效的制备ti2n
‑
mxene的方法，可以作为清除自由基的抗氧化剂使用。具体的制备方法包含以下步骤：
5.(1)将ti2aln和kf混合均匀，加入去离子水和氢氟酸hf的混合溶液，搅拌反应6
‑
12小时。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；
6.(2)反应结束后，用离心机以3000
‑
5000转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。。
7.(3)离心后讲所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为30
‑
35℃，时间为3
‑
6小时。最终得到的黑色粉末状固体即为ti2n
‑
mxene。
8.其中步骤(1)中所述的ti2aln和kf的质量比为1:2，去离子水和氢氟酸hf体积比为4:1。步骤(2)中反应环境应当尽量保持密封，具体可以在真空环境下或者以特定的密封容器进行反应。步骤(2)中所采用的聚四氟乙烯材质的反应容器。
9.与现有技术相比，本发明的优点在于：
10.1.本发明所使用的主要原料均为市面可得，原料成本低，可行性高，易于实现工业化；
11.2.本发明工艺简单，经济高效，产物层状结构明显，在抗氧化和超级电容器领域应用前景广阔。
12.3.本发明制备的ti2n
‑
mxene纳米片经过检测可以有效清除1,1
‑
二苯基
‑2‑
三硝基苯肼(dpph)这种典型的自由基，反应20分钟后，清除效率接近100％。
附图说明
13.附图1：实施例1中合成的ti2n
‑
mxene的扫描电子显微镜微观形貌照片。
具体实施方式
14.实施例1
15.将1gti2aln和2gkf混合均匀，加入去离子水16毫升和氢氟酸4毫升，在塑料烧杯中搅拌反应6小时，反应温度为30℃。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；反应结束后，用离心机以3000转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。离心后将所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为35℃，时间为6小时，产物sem图见图1。本实例制备的ti2n
‑
mxene纳米片经过检测可以有效清除dpph自由基，反应20分钟后，清除效率接近100％。
16.实施例2
17.将1gti2aln和2gkf混合均匀，加入去离子水16毫升和氢氟酸4毫升，在塑料烧杯中搅拌反应12小时，反应温度为35℃。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；反应结束后，用离心机以3500转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。离心后将所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为35℃，时间为6小时。本实例制备的ti2n
‑
mxene纳米片经过检测可以有效清除dpph自由基，反应20分钟后，清除效率接近72％。
18.实施例3
19.将1gti2aln和2gkf混合均匀，加入去离子水16毫升和氢氟酸4毫升，在塑料烧杯中搅拌反应8小时，反应温度为35℃。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；反应结束后，用离心机以3500转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液。重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性。离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显。离心后将所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为35℃，时间为6小时。本实例制备的ti2n
‑
mxene纳米片经过检测可以有效清除dpph自由基，反应20分钟后，清除效率接近88％。


技术特征：
1.一种氮化钛mxene纳米片的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：(1)将ti2aln和kf混合均匀，加入去离子水和氢氟酸hf的混合溶液，搅拌反应6
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12小时。反应过程尽量隔绝外界空气，防止产物过度氧化；(2)反应结束后，用离心机以3000
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5000转/分钟的转速离心反应溶液，保留黑色沉淀，移除上清液；重复上述操作，加入去离子水继续离心，直至反应溶液酸碱度接近中性；离心转速不宜太高，防止产物层间距太小，层状结构不明显；(3)离心后讲所得黑色沉淀在真空干燥箱中干燥，温度为30
‑
35℃，时间为3
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6小时，最终得到的黑色粉末状固体即为ti2n
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mxene。2.根据权利要求1所述氮化钛mxene纳米片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的ti2aln和kf的质量比为1:2，去离子水和氢氟酸hf体积比为4:1。3.根据权利要求1所述氮化钛mxene纳米片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中反应环境应当尽量保持密封，具体可以在真空环境下或者以密封容器进行反应；所述密封容器为聚四氟乙烯材质的反应容器。

技术总结
本发明公开了一种制备氮化钛MXene纳米片的方法，属于二维材料制备领域。其具体步骤为：将Ti2AlN在氢氟酸HF和KF氟化钾的复合刻蚀溶液体系下进行反应，反应温度为25


技术研发人员：李妍 苟靖雲
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2021.09.24
技术公布日：2021/12/23