[发明专利]一种使用熔融盐制备Ti2CTx的方法

说明书

本发明提供一种使用熔融盐制备Ti₂CT_x的方法，并进行阳离子插层，包括：称取质量比为1:(0.58～0.675):(0～0.3):(0.12～0.325)的Ti₂AlC粉、氟化钾、氟化锂、氟化钠原料，混合均匀后，放入管式炉中进行煅烧，使用氩气保护；以10℃/min的升温速率升至550～850℃，保温30～50min；煅烧完成后，自然冷却，得到熔盐产物；将熔盐产物加至4mol/L硫酸中，在常温下搅拌1h加入去离子水离心清洗，至上清液pH≈7，倒掉上清液得到沉淀；将沉淀加入氨水中，在常温下搅拌1h再加入去离子水离心清洗4～5次，倒掉上清液得到沉淀；将沉淀加入去离子水中超声60min，并以转速6000rpm离心25～45min，将上层悬浮液过滤得到分层Ti₂CT_x材料。本方法突破传统的化学液相刻蚀法制备Ti₂CT_x，提供了一种操作安全、简单、高效的制备方法。

技术领域

本发明属于先进陶瓷材料领域，涉及一种新型二维过渡金属碳化物Ti₂CT_x的制备方法。

背景技术

Ti₂CT_x属于二维材料MXene中的一种，MXene是一种新型的过渡金属碳化物或氮化物，其通式为M_n+1X_nT_x(n＝1-3)，其中M为早期过渡金属，X为C或N，T_x指表面官能团，一般为羟基、氧或氟^[1]。MXene通常由强酸选择性刻蚀三元层状化合物MAX相中的A原子层制得，具有类似石墨烯的二维结构。制备Ti₂CT_x的前驱体Ti₂AlC是一种MAX相陶瓷材料，A主要为III和IV主族元素，这类化合物具有六方层状结构，属于P₆₃/mmc空间群。在Ti₂AlC的结构中，Ti原子与C原子之间形成八面体，C原子位于八面体的中心，Al原子层将八面体隔开形成层状结构，Ti原子与C原子之间为结合力较强的共价键，而Al原子层与Ti-C八面体之间为结合力较弱的金属键。这种结构使得Al原子层容易挣脱Ti-C片层的束缚，这为使用一定方法选择性刻蚀掉Al原子层制备Ti₂CT_x提供了依据。

相比人们已经熟知的二维石墨烯材料，MXene在力学和电磁性能方面有独特的优势。Ti₂CT_x等碳化物MXene在沿其基准平面拉伸时具很高的弹性模量，其弯曲强度要高于相同厚度的多层石墨烯^[2]。目前制备的MXene的表面都存在羟基、氟、氧等官能团，这些官能团的存在也会改变MXene的电子特性。理论计算表明，含氧的Ti₂CO₂为半导体，其能带间隙为0.24eV^[3]。基于Ti₂CT_x的复合电极在高性能电池中的应用也具有重要价值，Ti₂CT_x已经用作Li-S电池中的导电硫主体，由于多硫化物与Ti₂CT_x的官能团的强相互作用，可以显著提高循环性和稳定性^[4,5]。此外，Ti₂CT_x具有较高的储氢量和可逆储放氢能力，Hu Q等^[6]人运用密度泛函理论和分子动力学模拟的方法研究了Ti₂CT_x的储氢性能，发现在化学吸附、Kubas吸附和物理吸附三种机制作用下，Ti₂CT_x理论储氢量高达8.6wt％。在天然气吸附储存方面，Ti₂CT_x也有重要的应用价值，Ti₂CT_x可以在高压下吸收甲烷，并能在常压下储存甲烷，其甲烷吸附容量最高可达11.6cm³/g^[7]。