一种气相刻蚀MAX相制备MXene二维材料的方法及应用

本发明属于新型二维材料，具体涉及一种气相刻蚀max相制备mxene二维材料的方法及应用。

背景技术：

1、mxene作为一种新兴的二维材料，具有十分广泛的应用前景，例如应用于电池电极、超级电容器电极、磁屏蔽、催化材料等。其主要由前驱体max相刻蚀制备，mx元素和a层元素交替结合形成层状结构，其中m代表早期过渡金属元素(如ti、nb、v、mo等)，a代表主族元素(如al、si、ga、sn等)以及一些过渡元素(如zn、cd等)，x代表c、n。由于“m-a”金属键往往弱于“m-x“共价键，因此a层元素可以被选择性刻蚀，得到通式为mn+1xntx(n＝1，2，3)的二维mxene，其中tx代表表面官能团，具体的元素取决于刻蚀环境。传统的mxene的制备主要通过湿法刻蚀max相，如具有危险性的hf酸水溶液刻蚀，hcl加氟化盐水溶液刻蚀，溶于有机溶剂中的卤素刻蚀以及熔盐刻蚀等。湿法刻蚀往往需要将max相放置于溶液或者熔盐中，刻蚀完成后再进行mxene和刻蚀剂的分离、洗涤、干燥等多步程序。在刻蚀以及后续的处理过程中，mxene会不可避免的发生氧化，降低其导电能力，不利于mxene的应用。同时，在刻蚀过程中，强的刻蚀剂如hf在刻蚀a层元素的同时也会不可避免地刻蚀m元素，在mxene上形成具有m空位，导致mxene结构上存在缺陷，不利于mxene的长期稳定存在。

技术实现思路

1、针对现有技术，本发明提供一种制备过程简便，无需过多的后续处理步骤其不易氧化变性的一种气相刻蚀max相制备mxene二维材料的方法，本发明具有普适性，且适合大规模生产应用，是一种高效经济的合成方法，本发明制备得到的mxene材料同样可以应用多个技术领域。

2、为了解决上述技术问题，本发明涉及一种气相刻蚀max相制备mxene二维材料的方法，包括以下步骤：

3、步骤一、将max相粉末以及刻蚀气体前驱体按照一定摩尔比例放置在密封的安瓿管中，其中刻蚀气体前驱体需要额外放置在内衬安瓿管中以隔离max相粉末和刻蚀气体前驱体，将装有内衬安瓿管的安瓿管进行真空封管，封管时真空度低于5pa；

4、步骤二、将步骤一真空密封的安瓿管放置在两段控温管式炉中，装有max相粉末以及刻蚀气体前驱体的一端放置在高温区，另一端放置在低温区，升温速度为10℃/min，刻蚀时间为12-24小时，反应结束后自然降温至室温；

5、步骤三、将步骤二得到的冷却后的安瓿管进行切割处理，收集气体刻蚀max相粉末得到的mxene粉末。

6、本发明的另一个目的是提供ti3c2br2 mxene粉末的制备方法：

7、步骤一、将ti3alc2粉末以及刻蚀气体前驱体cubr2按照一定摩尔比例(al：br＝1：10)放置在密封的安瓿管中，其中刻蚀气体前驱体cubr2需要额外放置在内衬安瓿管中以隔离max相粉末和刻蚀气体前驱体，将装有内衬安瓿管的安瓿管进行真空封管，封管时真空度低于5pa；

8、步骤二、将步骤一真空密封的安瓿管放置在两段控温管式炉中，装有max相ti3alc2粉末以及刻蚀气体前驱体cubr2的一端放置在高温区(600℃)，另一端放置在低温区(200℃)，升温速度为10℃/min，刻蚀时间为12小时，反应结束后自然降温至室温；

9、步骤三、将步骤二得到的冷却后的安瓿管进行切割处理，收集br2气体(由刻蚀气体前驱体cubr2释放)刻蚀max相ti3alc2粉末得到的ti3c2br2 mxene粉末。

10、本发明的另一个目的的提供ti3c2ix mxene粉末的制备方法，其中，

11、步骤一中，刻蚀气体前驱体为i2，i2无需放置在内衬安瓿管中，摩尔比例为al：i＝1：5；

12、步骤二中，装有max相ti3alc2粉末以及刻蚀气体前驱体i2的一端放置在高温区(600℃)，另一端放置在低温区(300℃)，刻蚀时间为24小时；

13、步骤三中，收集i2气体刻蚀max相ti3alc2粉末得到的ti3c2ix mxene粉末。

14、本发明的另一个目的是提供ti3c2cl2 mxene粉末的制备方法，其中，

15、步骤一中，刻蚀气体前驱体为fecl3，摩尔比例为al：cl＝1：15；

16、步骤二中，装有max相ti3alc2粉末以及刻蚀气体前驱体fecl3的一端放置在高温区(650℃)，另一端放置在低温区(300℃)；

17、步骤三中，收集cl2气体刻蚀max相ti3alc2粉末得到的ti3c2cl2 mxene粉末。

18、本发明的另一个目的是提供ti3c2br2 mxene粉末的制备方法方法，其中，

19、步骤一中，刻蚀气体为hbr，摩尔比例为al：hbr＝1：5；

20、步骤二中，装有max相ti3alc2粉末的一端放置在高温区(600℃)；

21、步骤三中，收集hbr气体刻蚀max相ti3alc2粉末得到的ti3c2br2 mxene粉末。

22、本发明的另一个目的是提供ti3c2ix mxene粉末的制备方法，其中，

23、步骤一中，刻蚀气体为hi，摩尔比例为al：hi＝1：5；

24、步骤二中，装有max相ti3alc2粉末的一端放置在高温区(600℃)；

25、步骤三中，收集hi气体刻蚀max相ti3alc2粉末得到的ti3c2ix mxene粉末。

26、本发明的最后一个目的是提供ti3c2cl2 mxene粉末的制备方法，其中，

27、步骤一中，刻蚀气体为hcl，摩尔比例为al：hcl＝1：5；

28、步骤二中，装有max相ti3alc2粉末的一端放置在高温区(600℃)；

29、步骤三中，收集hcl气体刻蚀max相ti3alc2粉末得到的ti3c2cl2 mxene粉末。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、气相干法刻蚀max相制备mxene的方法可以由固体的max相粉末直接得到固体mxene粉末，大大减少了湿法刻蚀制备mxene的后续处理步骤，且副产物会通过气相运输沉积在低温区，无需后续进一步处理就可以实现mxene与副产物的分离。而刻蚀温度的调控可以有效增加mxene的稳定性，阻止m元素被刻蚀剂刻蚀，保持mxene的结构完整。同时，不同的刻蚀剂会赋予mxene不同的表面官能团，而不同的表面官能团会使mxene具有不同的性质，拓宽了应用范围。刻蚀气体不同，其刻蚀能力也不同，刻蚀能力较强的气体如cl2、br2可以刻蚀max相中不同的a元素，对于max相的刻蚀具有普适性。

技术特征：

1.一种气相刻蚀max相制备mxene二维材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一所述max相包括：ti3alc2，还包括ti2alc，ti3sic2，ti3gec2，ti3gac2，ti3inc2，ti3snc2和非ti基max相。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一所述刻蚀气体包括：br2、i2、cl2、hbr、hi或hcl。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一所述刻蚀气体前驱体包括cubr2或fecl3。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一所述刻蚀气体前驱体需要额外放置在内衬安瓿管中以隔离max相粉末和刻蚀气体前驱体。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，当max相为ti3alc2粉末，刻蚀气体前驱体为cubr2时，摩尔比al：br＝1：10；

7.利用权利要求1～6任一项所述方法得到的mxene二维材料。

8.权利要求7所述mxene二维材料在作为电池电极、超级电容器电极、磁屏蔽、催化材料中的应用。

技术总结
本发明属于新型二维材料技术领域，具体涉及一种气相刻蚀MAX相制备MXene二维材料的方法及应用。本发明公开了一种气相刻蚀MAX相制备MXene二维材料的方法，将MAX相粉末以及刻蚀气体前驱体按照一定的摩尔比例放置在密封的安瓿管中；真空密封的安瓿管放置在两段控温管式炉中，装有MAX相粉末以及刻蚀气体前驱体的一端放置在高温区，另一端放置在低温区，反应结束后自然降温至室温；冷却后的安瓿管进行切割处理，收集气体刻蚀MAX相粉末得到的MXene粉末。简便的刻蚀步骤和广泛的适用范围使得该方法适合MXene的大规模制备、生产和应用。

技术研发人员：姜辉,朱家民,崔振铎,梁砚琴,朱胜利
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12