[发明专利]片层状MXene材料及其制备方法和储能材料

说明书

本发明提供了一种片层状的MXene材料的制备方法及其电池材料。所述方法包括：根据化学计量比，直接形成原料混合物，多元导电陶瓷材料的结构式为(M_1‑xY_x)_n+1AC_n，其中，n＝1、2或3，0≤x≤1，M和Y为过渡金属元素，A为原子序数为13以上的IIIA或IVA元素，C为碳；在惰性气氛下，将原料混合物在熔融熔盐中反应，反应结束后冷却；去除产物混合物中的熔盐，得多元导电陶瓷材料；对导电陶瓷材料中的A原子进行腐蚀，得片层状的MXene材料。本发明能够解决现有的MXene材料合成温度高、制备工艺和设备复杂且成本高等问题中的至少一项，且具有快速、高效、节能、环保、成本低廉又易于实现大规模生产等优点。

技术领域

本发明涉及导电陶瓷材料制备技术领域，具体来讲，涉及一种能够低能耗、低成本地制备片层状的MXene材料的方法，以及包含该片层状MXene材料的储能材料。

背景技术

通常，材料涉及的领域极为广泛，举凡国家的工农业建设和国防建设、人民生活水平的提高，无不与材料密切相关，因此人们把材料誉为现代文明的三大支柱之一。

近些年，一类具有层状结构的三元陶瓷由于兼有陶瓷和金属的优良性能而受到了国内外材料科学研究者的重视。这种可加工导电陶瓷是一种密排六方的碳化物或氮化物，且具有明显各向异性。三元层状陶瓷结合了金属和陶瓷的优异性能：三元层状陶瓷像金属一样具有良好的导电和导热性，较低的Vickers硬度和较高的弹性模量和剪切模量，易于机械加工，并在高温时具有可塑性；像陶瓷一样又具有高屈服强度、高熔点、良好的抗热震性和抗氧化性能。因而可以预期三元层状陶瓷将成为重要的集结构与功能一体化的高性能陶瓷，广泛应用在机电、仪表、冶金、化工、汽车、船舶、航空航天等领域。

目前，制备三元层状陶瓷的方法主要有高温自蔓延反应法(SHS)、热压法(HP)、热等静压法(HIP)、放电等离子烧结法(SPS)、无压烧结法、真空烧结法、机械辅助合金化法、以及脉冲放电烧结法(PDS)等。但是，这些方法均具有设备复杂、能耗高、效率低等缺点中的至少一项。此外，制备的三元层状陶瓷材料由于高温烧结作用多为微米级粉体，且颗粒之间团聚严重。

二维过渡金属碳化物或碳氮化物(MXene)是最近发展起来的一类二维纳米材料，通过化学试剂，如氢氟酸等腐蚀MAX相层间A原子制得。该材料在储能领域具有广泛的应用前景。然而，目前制备MXene所用的前驱体MAX均采用上述方法制备。由于其颗粒较大，所需刻蚀时间长，且很难完全剥离为二维片层状的MXene。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于解决现有的MXene材料合成温度高、制备工艺和设备复杂、以及成本高等问题中的至少一项。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种片层状的MXene材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：根据多元导电陶瓷材料的化学计量比，直接将第一原料粉末与第二原料混合形成原料混合物，其中，所述第一原料为碳材料，所述多元导电陶瓷材料的结构式为(M_1-xY_x)_n+1AC_n，其中，n＝1、2或3，x在不小于0且不大于1的范围内，M和Y分别为过渡金属元素，A为原子序数为13以上(包括13)的IIIA或IVA元素，C为碳元素；在惰性气氛下，将所述原料混合物在熔融熔盐中反应，待反应结束后冷却，获得含有反应产物与固态熔盐的混合物；去除所述产物混合物中的熔盐，得到具有层状结构的多元导电陶瓷材料；对所述多元导电陶瓷材料中的A原子进行腐蚀，以得到片层状的MXene材料。