[发明专利]一种大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片及其制备方法和应用

说明书

一种大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片及其制备方法和应用，它涉及一种MXene纳米片及其制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有方法制备的MXene纳米片的横向尺寸小的问题。一种大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片由多个少层MXene纳米片堆叠而成。制备方法：一、将二维MXene纳米片悬浊液进行离心，得到泥状沉淀物；二、向泥状沉淀物中加入去离子水，搅拌，再放入零下80度超低温冰箱中冷冻，最后放入冷冻干燥机中冷冻干燥，得到冻干物；三、将冻干物置于溶剂中超声。一种大尺寸MXene纳米片作为超级电容器或锂离子电池的电极材料使用。本发明可获得一种大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片。

技术领域

本发明涉及一种MXene纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

MXene是一种具有二维层状结构的新型二维类石墨烯晶体材料。它是由三元层状化合物MAX剥离而来，其中M表示前过渡族金属(Ti、Nb、Ta、V、Mo、Cr、Zr)，A主要为IIIA和IVA族元素，X为碳或者氮。X原子位于紧密排列的M层的八面体中心，M层与A层交替排列形成MAX相。研究人员用氢氟酸反应蚀刻掉其中的A层，剩下M_n+1X_n层。M_n+1X_n层是只有几个原子层厚度的二维平面结构，为了强调与石墨烯(Graphene)具有类似的结构，被命名为MXene。MXene包括数量庞大的过渡金属碳化物和氮化物，已经发现的MXene材料有60多种。

MXene具有良好的导电性、亲水性以及机械性能。一方面，超薄原子层厚度的二维MXene表现出丰富的理化性能(包括光热转化性能、电子穿透性、X射线衰减和表面等离子共振等)和特殊的生物学效应(酶响应降解、细胞内吞、体内分布和代谢动力学等)，被用于能源储存和转换、水体净化、化学传感、光或电催化和静电屏蔽等领域，并被期待在纳米生物医学领域有所突破。另一方面，MXene元素组分和片层内结构单元的精确可控制备，也为MXene的多功能化探索提供了更加广泛、灵活的材料科学基础。

目前，二维MXene纳米片主要通过液相剥离的方法合成得到，主要的原理是利用其前驱体MAX材料中不同原子层间作用力的差异，通过条件可控的刻蚀过程来实现A层原子的抽出，进而实现MX层(即MXene)的剥离。常见的MXene纳米片横向尺寸多为2～5微米(CN108298541A)。尽管MXene在柔性电容器中已展现出较大的潜力，但是由于其纳米片的横向尺寸较小，仍然不能满足可穿戴电子器件对柔性的需求。另外，作为潜在的电极材料，MXene通常是利用其高导电性作为导电衬底或支架与其他材料实现复合，这也要求MXene材料能够实现大尺寸制备。

发明内容

本发明的目的是要解决现有方法制备的MXene纳米片的横向尺寸小的问题，而提供一种大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片及其制备方法和应用。

一种大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片由多个少层MXene纳米片堆叠而成，相邻的两个少层MXene纳米片之间具有纳米级孔隙结构，其中少层MXene纳米片的层数为1层～5层，厚度为1nm～6nm；所述的大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片的横向尺寸为50μm以上，厚度为10nm～30nm。

一、将二维MXene纳米片悬浊液进行离心，倒掉上清液，得到泥状沉淀物；

二、首先向泥状沉淀物中加入去离子，搅拌均匀，得到粘稠的MXene纳米片泥浆；然后将粘稠的MXene纳米片泥浆放入零下80度超低温冰箱中冷冻2h～3h，最后放入冷冻干燥机中冷冻干燥，得到冻干物；

三、将冻干物置于溶剂中超声，得到分散在溶剂中的大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片；

步骤三中所述的冻干物的质量与溶剂的体积比为(1mg～5mg):(1mL～10mL)。

一种大尺寸、富含氧官能团的MXene纳米片作为超级电容器或锂离子电池的电极材料使用。