[发明专利]一种基于三维MXene的三维复合结构及其通用合成方法

说明书

一种基于三维MXene的三维复合结构的通用合成方法属于纳米材料领域。该三维复合结构由三维MXene负载无机纳米结构组成，具有花状分级多孔结构。方法包括：采用超声雾化器将三维MXene颗粒与金属盐、助剂的混合悬浮液雾化为气溶胶微液滴，在惰性或反应性气氛中高温快速干燥，获得结构、尺寸可控的三维复合结构；或将三维MXene颗粒与金属盐或非金属化合物在溶剂中或以固相形式混合均匀得到混合物，在惰性或反应性气氛中高温煅烧，获得结构、尺寸可控的三维复合结构。本发明获得的基于三维MXene的三维复合结构能够克服无机纳米材料颗粒团聚、导电性差与二维MXene的堆叠问题，为基于MXene的高性能功能材料制备、加工与在各方面的应用奠定基础。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种基于三维MXene的三维复合结构及其通用合成方法。

背景技术

独特的尺寸效应赋予纳米材料比宏观材料更为优异或截然不同的物理化学性质，使其在诸多领域得到广泛应用。功能纳米材料的性能很大程度上依赖于其形貌、尺寸和晶相结构，对其微观结构进行精细调控，实现结构设计和可控构筑已成为近年来纳米材料科学研究的热点领域。

无机材料是最重要的功能材料之一，但多数无机非金属材料较差的导电性限制了其广泛应用。当无机材料的尺度纳米化后，纳米颗粒的高表面自由能导致严重的颗粒团聚问题，大大降低了无机纳米材料的使役性能、加工性能与实际应用。

MXene 是基于过渡金属碳化物或氮化物，具有类石墨烯结构的新型二维晶体。其化学式为M_n+1X_n（n = 1、2、3，M 为过渡金属元素，X 为碳或氮元素）。此类材料通过酸刻蚀层状陶瓷材料MAX 相获得，其特点是具有优异的电学性能与化学反应活性，可望作为导电基质稳定负载无机纳米结构以实现新结构、高性能纳米复合结构的构筑。但二维MXene极易在范德华力作用下发生不可逆堆叠及团聚，极大限制了无机纳米结构在其上的均匀生长与表/界面高效利用，严重影响其在纳米复合结构制备领域的应用。

发明内容

本发明提供了一种基于具有抗堆叠性能的三维MXene的三维复合结构及其通用合成方法，制备得到的产物由具有花状分级多孔结构，均匀负载不同无机物纳米结构的三维MXene组成，克服了无机纳米材料颗粒团聚、导电性差与二维MXene的堆叠问题，解决困扰无机纳米材料性能发挥与应用的基础性难题。该合成方法绿色环保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于规模化生产。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于三维MXene的三维复合结构，该三维复合结构由三维MXene负载纳米结构组成，具有多孔结构，尺寸在0.2-50 μm之间；三维MXene上负载纳米结构的载量可调，负载量在5-80 wt.%之间，尺寸约数纳米至数十纳米；其中，纳米结构包括金属氧化物/氢氧化物、硫化物、磷化物、碳化物、贵金属或磷、硫、硒等中的一种或两种以上。

一种基于三维MXene的三维复合结构的通用合成方法，包括以下三种方案，每种方案的步骤如下：

方案一：

1）利用超声雾化器将MXene与金属盐、助剂的混合悬浮液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。其中，MXene的浓度为0.5-20 mg mL^-1，金属盐的浓度为0.01-0.1 mol L^-1，悬浮液的溶剂为水或含有1-11个碳原子的醇类中的至少一种，金属盐为钛、钒、铬、锰、钴、铁、镍、铜、锌、锆、钼、钌、铅、铂、钯、银、镉、金、镓、铟、锡、铋、钠、钾盐中的至少一种，助剂包括表面活性剂、高分子聚合物、微/纳米颗粒。助剂、MXene、溶剂与金属盐的质量比为0.1-10 :1 : 50-2000 : 0.1-100。