[发明专利]一种表面官能团和过渡金属价态可调的超薄MXenes二维材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种表面官能团和过渡金属价态可调的超薄MXenes二维层状材料及其制备方法，包括表面官能团可调控的超薄MXenes二维材料、过渡金属价态可控的超薄MXenes二维材料以及二者同时可调的超薄MXenes二维材料。所述超薄二维层状材料包括MXenes、石墨烯、黑磷、硅烯、超薄金属、超薄金属氧化物、层状过渡金属硫化物、层状过渡金属硒化物、层状过渡金属碲化物、氮化硼、层状氢氧化物。与现有技术相比，本发明采用物理剥离法打开金属键并剥离层状材料，无需使用腐蚀性酸，同时实现表面官能团种类和金属价态同步调控，而且设备简单，操作方便，有利于大量制备二维超薄材料等优点，制备成本低廉，绿色安全无毒性。

技术领域

本发明涉及表面官能团和过渡金属价态可调的超薄MXenes及其制备方法，特别涉及物理剥离法打开金属键制备超薄MXenes二维层状材料。

背景技术

与块体金属相比，纳米材料具有更大的比表面积，特定的晶面暴露，特殊的尺寸效应等特征，从而表现出更高的活性，因此纳米材料在居多应用领域取得了重大进展。在众多纳米材料中，二维纳米材料因其厚度从三维体相降到单层或少层纳米尺度，产生独特的电子结构和暴露更多活性位点，最近几年备受关注。二维材料例如超薄金属、超薄金属氧化物、层状金属硫族化合物、六方氮化硼、层状氢氧化物等体系的研究日益受到关注。层状过渡金属碳化物(MXenes)是一种类石墨新型二维热点材料，具有丰富的化学组成及高载流子迁移率，国内外研究者对MXenes相材料进行了理论和实验方面的研究,发现其具有独特的二维片层状结构、较大的比表面积及良好的导电性,有望广泛应用于储能、催化、吸附、储氢、传感器以及新型聚合物增强基复合材料等领域。

MXenes的前驱体MAX相中M-X原子层间主要是共价键和离子键，M-A原子层间主要以金属键相连，M-A键能相比于M-X原子层间共价键较弱，但比石墨层间范德华力强。因此，普通物理机械剥离法无法打开金属键实现超薄结构。与M-X键相比，M-A键结合力较弱，故A层原子反应活性相对较高,可通过刻蚀实现剥离，因而得到层状结构的MXenes。人们通常采用酸化学液相刻蚀法剥离A层原子制备MXenes超薄层，但此法存在三大特点：首先，HF腐蚀所得MXenes易吸附-F、-O、-OH等亲水性官能团，居多相关研究报道化学刻蚀法制备的MXenes表面官能团种类显著影响着电催化性能、锂离子电池容量、电化学容量、能带结构、电子传输特性以及光吸收性能等居多性质。其次，腐蚀过程中表面暴露的低配位过渡金属离子易被氧化，导致大量活性位点消失；而且腐蚀温度越高氧化越严重，致使材料导电性下降，理论预测的半金属特性不再成为优势，从而活性降低；此外，过渡金属氧化还影响着MXenes结构稳定性等。表面吸附官能团和过渡金属氧化是制约二维层状MXenes在居多领域潜在应用的关键，这也是一直以来MXenes在材料制备和性能研究中至关重要的问题。第三、实验中使用的HF溶液毒性较大、腐蚀性较强,在实际操作时具有一定的危险性。因此，传统酸刻蚀法进行层间剥离则存在上述弊端。鉴于以上，寻找能阻止前驱体层状剥离过程中表面低价态金属氧化，并同时有效调控表面官能团的绿色、安全的制备方法成为目前MXenes面临亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种表面官能团和过渡金属价态可调的超薄MXenes二维材料，具有表面官能团调控和过渡金属价态可调等优点。本发明的目的之二在于提供上述超薄MXenes二维层状材料制备方法，具有设备简单，操作方便，容易实现官能团和过渡金属价态调控，而且有利于大量制备二维超薄材料等优点，制备成本低廉，绿色无毒性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种表面官能团和过渡金属价态可调的超薄MXenes二维材料，包括表面官能团可调控的超薄MXenes二维材料、以及过渡金属价态可控的超薄MXenes二维材料、以及二者同时可调的超薄MXenes二维材料；所述的超薄MXenes二维材料是采用低温超高压物理剥离法一步直接制备超薄二维材料。