[发明专利]一种二维稀土钇碳化合物材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种二维稀土钇碳化合物材料及其制备方法，属于二维材料的制备及应用领域。本发明的方法为：以一种已知的稀土金属钇、金属铝和碳形成的化合物为原料，该化合物具有六方晶体结构；通过溶液法刻蚀该化合物中的铝‑碳原子层；随后通过有机分子或者金属锂离子插层并剥离；本发明展示了一种全新的基于稀土金属钇的二维碳化物材料及其制备方法，通过这种方法制备的稀土金属钇的二维碳化物，具有较高的储氢量及较好的电池性能。

技术领域

本发明属于二维材料的制备及应用领域，涉及一种基于稀土金属的二维碳化物及其制备方法，该二维稀土碳化物可应用于电池蓄能及储氢领域。

背景技术

新能源开发已经成为我国未来的能源发展主流，包括风能、水能、核能等能源技术都已经普遍应用。然而能量的存储是个不可忽视的课题。而超级电容器是一种新型的能量存储与转化装置，不但拥有较高的能量密度，而且功率密度也很高，是一种能够在能源紧缺时代解决不断增长的能源需求。以石墨烯为代表的二维材料，在新能源领域中有广泛的应用。

近年来出现了一种新型二维材料MXene，这种二维材料由其三维MAX相材料通过化学刻蚀制备。MAX相具有六方晶体结构，是一种三元层状陶瓷，其统一的化学式为M_n+1AX_n表示，M为前过渡族金属元素，A为主要为第三主族、第四主族元素，X为C或N，常见的n＝1,2,3,4。MAX相具有特殊的结构，M与X之间以强离子共价键，构成具有立方结构的MX，而M与A、A与A之间键合较弱，排列成六次对称的A原子层与立方结构MX的(111)面交替排列，构成六方结构的MAX相。在2011年，Naguib[M.Naguib,M.Kurtoglu,V.Presser,J.Lu,J.Niu,M.Heon,L.Hultman,Y.Gogotsi and M.W.Barsoum,Adv.Mater.2011,23,4248-4253]等人利用氢氟酸水溶液刻蚀掉MAX相的典型体系Ti3AlC2材料中的Al后，得到颗粒具有如图1所示的类手风琴形貌[M.Naguib,O.Mashtalir,J.Carle,V.Presser,J.Lu,L Hultman,Y.Gogotsi,andM.W.Barsoum,ACS Nano,6(2012)1322-1331].这种层状材料被Yory Gogotsi依照石墨-石墨烯的命名方法，命名为MXene。人们进一步发现，有些有机溶剂，如二甲基甲酰胺(DMF)、一水合肼(HM)、二甲基亚砜(DMSO)等可以插入这种片层之中制造沿c轴方向的进一步膨胀，在随后清洗掉有机溶剂后进行超声处理，就可以得到少片层、甚至单片层的二维Ti3C2Tx(如图1中的(c))，从而为研究单层MXene表面物化性能和电化学性质提供机遇。

不久之后，科研人员发现采用溶解了氟盐的盐酸溶液也可以作为刻蚀MAX相制备相应MXene。其刻蚀过程较为温和，并且产生类似于泥状胶体，通过超声震荡、真空抽滤后，可以制备出10um左右厚度的”paper”[F.Shahzad,M.Alhabeb,C.B.Hatter,B.Anasori,S.M.Hong,C.M.Koo,Y.Gogotsi,Science 353(2016)1137](如图2中的(a)和(b))。这种纸电极在1mol/L的H2SO4溶液中的比电容高达900F/cm3或者245F/g。通过混合MXene和聚乙烯醇(PVA)抽滤成的纸电极在1mol/L的KOH中比电容为306F/cm³[L.Zheng,C.E.Ren,M.Q.Zhao,J.Yang,J.M.Miammarco,J.S.Qiu,M.W.Barsoum and Y.Gogotsi,PNAS,111(2014)16676]。这种纸具有良好的导电性，并在作为电磁屏蔽材料在低频和高频段，都展现了良好的屏蔽性能(如图2中的(c))。