[发明专利]一种二维过渡族金属碳（氮）化物气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维过渡族金属碳(氮)化物气凝胶及其制备方法和应用。采用HCl+LiF溶液对三元层状碳(氮)化物MAX粉进行腐蚀，通过洗涤和剥离得到二维过渡族金属碳(氮)化物纳米片的稳定胶态悬浮液。向其中加入盐酸溶液破坏二维过渡族金属碳(氮)化物纳米片之间的静电平衡，引导其自组装形成水凝胶，最后通过真空冷冻干燥得到二维过渡族金属碳(氮)化物气凝胶。所制得的气凝胶具有高比表面积和发达的孔隙，对铅离子的吸附容量达到246mg/g，对甲苯的吸附容量达到17g/g，是一种理想的吸附材料。本发明制备方法简单安全，易于控制，适于大规模工业生产，制备的二维过渡族金属碳(氮)化物气凝胶在吸附领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料和吸附领域，具体涉及一种二维过渡族金属碳(氮)化物气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

近些年随着工业的飞速发展，我们面临环境问题也日益严重，尤其是冶金、电镀、纺织等行业对水资源造成的重金属离子和有机物污染，对自然环境和人体的健康产生了很大的危害。因此治理水资源的污染已经成为迫切的需求。吸附法是水处理常用的一种方法，利用吸附剂具有的高比表面积、多孔结构和丰富的活性位点，通过物理和化学作用将水中的重金属离子或有机物吸附到其孔隙结构中，具有操作简单安全，不会造成二次污染等优点，是一种经济环保的水处理方法。

二维过渡族金属碳(氮)化物(简称MXene)是一种新型二维材料，其化学通式为M_n+1X_nT_x(M是早期过渡族金属元素，X是碳或/和氮元素，n＝1、2或 3，T代表-F、-O及-OH等表面官能团)。Ti₃C₂T_x是目前MXene家族中研究最多、制备工艺最成熟的一种。MXene不仅具有石墨烯的高比表面积和高导电率等特点，还具有亲水性、丰富的活性位点、组分灵活可调和最小纳米层厚可控等优势，是一种理想的吸附剂材料。但是MXene在吸附领域的应用还存在许多问题，如多层MXene比表面积较小，限制了它的吸附容量；单层MXene比表面积大，易于分散在水中和与被吸附物接触，但难以回收，容易造成二次污染等。MXene 气凝胶是由MXene纳米片交错搭接形成的三维多孔结构的宏观体，作为吸附材料不仅具有高比表面积、高孔隙率等优点，还易于回收，可避免对环境的二次污染，因此在吸附领域具有极大的应用潜力，但目前对于MXene气凝胶的制备和应用研究还很少。Li等使用乙二胺作为交联剂成功制备出MXene气凝胶，但其制备的气凝胶三维孔隙结构不发达，不利于与被吸附物质充分接触。[Li L,Zhang M,Zhang X,et al.New Ti 3C 2,aerogel as promising negativeelectrode materials for asymmetric supercapacitors[J].Journal of PowerSources,2017,364:234-241.] Liu等将聚丙烯酸和MXene混合均匀，经冷冻干燥制备MXene/聚丙烯酸气凝胶，然后在300℃氩气氛围下退火2h，将其转化为MXene/聚酰亚胺气凝胶，该气凝胶机械性能良好，但其工艺复杂，需要高温处理，成本高昂，且聚酰亚胺会将MXene纳米片包裹，不利于充分利用MXene优异的吸附性能。[Liu J,Zhang H B, Xie X,etal.Multifunctional,Superelastic,and Lightweight MXene/Polyimide Aerogels[J].Small,2018.]

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供了一种二维过渡族金属碳(氮) 化物气凝胶，本发明的另一目的是提供上述二维过渡族金属碳(氮)化物气凝胶的制备办法，本发明还有一目的是提供上述的二维过渡族金属碳(氮)化物气凝胶在吸附领域的应用，本发明提供了一种工艺简单、安全高效的MXene气凝胶及其制备方法和在吸附领域的应用。

本发明的技术方案为：一种二维过渡族金属碳(氮)化物气凝胶，其特征在于：所述气凝胶由二维过渡族金属碳(氮)化物纳米片通过自组装搭建而成，具有三维多孔结构。