[发明专利]一种二维碳化物的模板限制合成方法

说明书

技术领域

本发明属于低维纳米碳化物材料的制备领域，具体涉及一种利用石墨烯模板限制合成二维碳化物的方法。

背景技术

二维碳化物（TiC、SiC等）是一类低维纳米结构的功能陶瓷材料，由于具有各向异性的电学、光学、热学和机械等性能，二维碳化物在电子、信息、能源和纳米科技领域具有广阔的应用前景。与零维、一维材料相比，二维碳化物更易使用传统的机械或激光刻蚀、溶胶凝胶和化学气相沉积等技术来加工。它通过与半导体工艺相结合，使各种低维纳米结构器件的制作和应用成为可能。然而，目前针对二维碳化物材料的制备及性能的研究尚处于刚刚起步阶段，对二维结构所带来的显著区别于宏观材料的金属、绝缘、隔热、超导、磁学等特性的研究还不够深入。而现有方法所生长的二维碳化物大多需要借助基底的支撑，机械强度低，难以从基底上进行较大面积剥离，这在一定程度上限制了自支撑二维碳化物材料的发展和大规模应用。

石墨是自然界最为常见的片层材料，由于层间原子存在较弱的范德华力，石墨材料可通过微机械剥离法来获得自支撑的片层材料，即石墨烯。这种以碳原子通过sp²杂化方式连接的平面二维晶体表现出优异的电子、机械和表面化学等性质，为二维纳米结构器件的应用研究开辟了广阔的发展空间。与石墨烯的剥离过程相似，国内外研究者相继实现了BN、MoS₂、TaS₂和NbSe₂等二维晶体材料的制备。然而，与此类二维结构相似的碳化物材料至今却很少报道。

模板限制反应法是一种利用模板形状的限制作用实现对产物形貌进行有效调控的反应性模板合成方法。该方法在材料制备过程中无需考虑模板的去除工艺，因为模板在限制目标产物生长的同时不断被消耗掉。例如，利用生物质二氧化硅（硅藻土）模板的低温镁热还原反应可以制备出维持硅藻壳形貌的多孔硅复制物（参见中国发明专利申请201110149645.8）；利用碳纳米管模板与挥发性金属氧化物在氨气中反应可制备出与一维氮化硅、氮化镓纳米棒材料（参见中国发明专利97100646.6）。而作为一种典型的二维材料，石墨烯也是一种较为理想的反应物模板，可被用来合成一系列碳基二维纳米结构材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种石墨烯模板限制反应合成二维碳化物的方法。

本发明所提供的技术方案如下：

一种二维碳化物的制备方法，以石墨烯为模板，通过与挥发性金属卤化物蒸气反应，模板限制合成与石墨烯形貌相似的二维碳化物材料，具体步骤如下：

（1）将石墨烯（C）和卤素单质（X₂）密封于真空石英管的一端，在另一端放置金属（M），其中，金属（M）：卤素单质（X₂）：石墨烯（C）的摩尔比为1:(2-5):(0.1-2.1)；

（2）将真空石英管中放置石墨烯的一端置于管式炉的较高恒温区，在500-1200 ℃温度下，充分反应1-48小时，另一端置于温度较低的非恒温区。

（3）待反应结束并自然冷却至室温后，打开真空石英管，取出原先放置石墨烯一端的产物，用有机溶剂清洗后干燥获得二维碳化物MC_n材料。

本发明的反应过程用方程式表示如下，

本发明的反应原理在于首先利用金属源与卤素单质反应生成挥发性金属卤化物，从而实现金属的气相输运，然后挥发性金属卤化物在较高温度下分解并与石墨烯反应生成保留石墨烯模板形貌的二维碳化物。

本发明中，所述石墨烯为单层或多层石墨烯中的一种。

本发明中，所述金属源选自Ti、Nb、Ta、Hf、V、Zr、Cr、W、Fe、Ni或Mo中任一种。

本发明中，所述卤素单质为I₂、Br₂或Cl₂中任一种。

本发明中，步骤（3）中所述有机溶剂为无水乙醇。

与现有技术相比较，本发明制备的二维碳化物不需要基底的辅助支撑，其形貌结构可通过调节石墨烯模板的种类、大小和结构来控制。此外，该方法避免使用价格昂贵的薄膜加工仪器，制备成本相对低廉，环境友好，制备工艺简单，重复性好，在高温催化、新兴能源、光电器件、生物医药和气敏器件等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1二维碳化钛的粉末X射线衍射谱。