一种无氟MXene二维纳米片的制备方法与流程

一种无氟mxene二维纳米片的制备方法
技术领域
1.本发明属于纳米材料技术领域，涉及mxene，具体地说是一种无氟mxene二维纳米片的制备方法。


背景技术：

2.mxene，作为一种新兴的二维(2d)过渡金属碳化物/氮化物，因其拥有优异的导电性、良好的亲水性，以及大片层结构等诸多优势，受到了各国研究者的广泛关注。
3.目前mxene的制备方法主要是酸刻蚀法，刻蚀剂包括氢氟酸水溶液(hf)、氟化锂和盐酸的混合物(lif+hcl)、氟化氢铵((nh4)hf2)等。此方法通过含氟离子溶液选择性刻蚀max相的a原子层来实现刻蚀目的，具有操作简便、刻蚀条件相对比较温和、制备的mxene二维纳米片层间距大、缺陷少以及片层结构大等优势；但这些含氟的刻蚀剂不仅具有高腐蚀性，还存在环境污染和安全隐患，且以氟离子为末端的基团会抑制mxene的反应活性，降低材料的服役性能，例如，在电化学能量存储中，氟离子的存在会增加锂离子的扩散能垒，抑制电解液和mxene电极界面的反应稳定性。因此，无氟的mxene制备就显得尤为重要。
4.专利cn110371979b提出采用碱液刻蚀制备mxene量子点的方法，但该方法制备的量子点失去了mxene二维纳米片本身的特性；顾佳俊等人提出用一种利用水热法碱刻蚀合成无氟高纯mxene二维纳米材料，但高温高浓度(270℃；27.5m)水热条件，使得mxene生产存在严重的安全隐患。
5.因此，寻找一种绿色、安全、无氟的刻蚀方法对mxene的实际应用具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的，旨在提供一种绿色、安全的无氟mxene二维纳米片制备方法，在实现保护环境的同时，保证无氟mxene二维纳米片的反应活性。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种无氟mxene二维纳米片的制备方法，它包括依次进行的以下步骤：
9.s1.将max相材料和引发剂混合均匀，在真空或保护性气体氛围中加热后，清洗，
10.得固体α；
11.s2.固体α和碱混合均匀，在真空或保护性气体氛围中加热，清洗，干燥，即得所述无氟mxene二维纳米片。
12.作为一种限定，步骤s1中：
13.所述max相材料，m层的元素为ti、zr、hf、v、nb、ta、cr和sc中的至少一种；
14.a层的元素为al或si；
15.x层的元素为c或n。
16.作为另一种限定，步骤s1中：
17.所述引发剂为碘共溶剂、二氯化锡和硝酸银中的至少一种；
18.所述引发剂和max相材料的重量比为1-50：1。
19.作为第三种限定，步骤s1中，所述加热的温度为100-600℃、时间为1-10h。
20.作为第四种限定，所述保护性气体为氩气、氦气或氮气。
21.作为第五种限定，所述清洗，采用的清洗液为水、乙醇、稀盐酸和硝酸中的至少一种。
22.作为第六种限定，步骤s2中，所述碱为lioh、naoh和koh中的至少一种，所述碱与max相材料的重量比为2-80：1。
23.作为第七种限定，步骤s2中，所述加热的温度为200-800℃、时间为2-24h。
24.作为第八种限定，步骤s2中，所述干燥，是在60-100℃的真空条件下进行的，时间为4-24h。
25.作为最后一种限定，所述无氟mxene二维纳米片的厚度为1-200nm。
26.由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
27.①
本发明提供的无氟mxene二维纳米片的制备方法，以固体碱代替浓碱溶液，避免了高温高压条件下的水热反应，从而提高了制备过程中的安全性；
28.②
本发明提供的无氟mxene二维纳米片的制备方法，反应条件温和、操作简单、环境友好，制备过程不含氟，无杂质的引入，产率高；
29.③
本发明提供的无氟mxene二维纳米片的制备方法，整个制备过程中使用的原料来源广泛、易获得、成本低，从而降低了无氟mxene纳米片的制备成本；
30.④
本发明提供的无氟mxene二维纳米片的制备方法，通过引发剂刻蚀max边缘，打开边缘窗口，打开的边缘窗口可以有效避免碱刻蚀过程中的“干扰效应”，即避免生成的氢氧化物在max的边缘窗口堆积，阻碍反应的进一步进行，熔融碱将通过max边缘窗口持续刻蚀max中的a层元素，从而保证刻蚀反应的持续进行；
31.⑤
本发明制备的无氟mxene纳米片，反应活性高，可广泛应用于储能、净水、吸附以及催化等领域。
32.本发明适用于制备无氟mxene纳米片，制备的无氟mxene纳米片进一步应用于储能、净水、吸附以及催化等领域。
附图说明
33.下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明：
34.图1为本发明实施例1中ti2alc原材料和无氟mxene二维纳米片β1的x射线衍射谱图；
35.图2为本发明实施例1制备的无氟mxene二维纳米片的sem图；
36.图3为本发明实施例2制备的无氟mxene二维纳米片的sem图。
具体实施方式
37.下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明，应当理解所描述的实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明。
38.实施例1一种无氟mxene二维纳米片的制备方法
39.本实施例包括依次进行的以下步骤：
40.s1.将300g的ti2alc材料和1kg的碘单质混合均匀，转移至循环蒸汽炉中，在氮气
的氛围中，于500℃条件下热处理1h后，用乙醇和水交替清洗，除去碘单质，于60℃的真空条件下干燥至恒重，得固体α1；
41.s2.固体α1和5kg的naoh混合均匀，转移至循环蒸汽炉中，在氩气的氛围中，于500℃条件下热处理12h，用浓度为1mol/l的盐酸和水交替清洗，重复5次，于60℃的真空条件下干燥至恒重，得无氟mxene二维纳米片β1；
42.s3.将s2中制备的无氟mxene二维纳米片β1放在扫描电子显微镜下进行检测，经检测无氟mxene二维纳米片β1的厚度为1-10nm；
43.图1为ti2alc原材料和无氟mxene二维纳米片β1的x射线衍射谱图，由图1可知，本发明所制备的无氟mxene二维纳米片β1没有出现明显的ti2alc的衍射峰，表明ti2alc中的a层元素已经被充分刻蚀；
44.图2为无氟mxene二维纳米片β1的sem图，由图2可知，无氟mxene纳米片呈现出疏松的单片层结构，片层厚度约为1-10nm。
45.实施例2～6无氟mxene二维纳米片的制备方法
46.实施例2～6分别为一种无氟mxene二维纳米片的制备方法，它们的步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于各参数的不同，具体详见表1：
47.表1实施例2～6中各项参数一览表
48.[0049][0050]
实施例2～6其它部分的内容，与实施例1相同，实施例2～6分别制备出无氟mxene二维纳米片β2～β6；
[0051]
图3为实施例2中无氟mxene二维纳米片β2的sem图，由图3可知，无氟mxene纳米片呈现出疏松的薯片状结构。