[发明专利]一种三维MXene原位生长碳纳米管及其通用合成方法

说明书

一种三维MXene原位生长碳纳米管及其通用合成方法，属于纳米材料领域。本发明以二维的过渡金属碳化物Ti₃C₂ MXene和含碳高分子为前驱体在铁钴镍等过渡金属的催化作用下，通过喷雾热解技术制备了三维MXene表面原位生长着丰富的碳纳米管的纳米结构，产物由二维MXene片层三维联通组装而成，且MXene片层内外表面原位均匀生长着长度约为300nm，直径约为20nm的碳纳米管。且碳管高度分散无缠绕团聚现象，使MXene和碳纳米管的表界面得到高效利用，提升了其应用与加工性能。另外碳纳米管的引入极大提升了材料的强度、弹性和抗疲劳性，增大了材料的孔隙率与离子透过性，且制备工艺简单，过程绿色环保，易于规模化生产。在储能、催化、光电材料、生物药物、电磁屏蔽等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种三维MXene原位生长碳纳米管及其通用合成方法。

背景技术

纳米材料由于尺寸效应，具有远优于宏观块体材料的物理化学性质，因而受到广泛关注。实现多种功能纳米材料的原位复合与精细调控，对实现纳米材料结构功能的可控设计，进而优化材料物理化学性能具有重要意义。

MXene是一种通过酸刻蚀层状陶瓷材料MAX相，得到的新型过渡金属碳化物或氮化物二维晶体。其化学式为M_n+1X_n，(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素)。MXene具有和石墨烯类似的二维结构以及优异的电学、力学、磁学等性能。近年来在储能、电磁屏蔽、水处理、气体/生物传感以及光电化学催化等领域得到广泛应用。

碳纳米管是一种一维碳纳米材料，重量轻，具有极高的强度和韧性以及优异的力学、电化学性能。碳纳米管复合材料具有金属材料的导电和导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性，以及高分子材料的轻质、易加工性。将MXene与碳纳米管复合，可以极大提升材料的强度、弹性、抗疲劳性，使复合材料性能发生质的飞跃。

目前常用的实现MXene与碳纳米管复合的方法主要有两种，一是通过MXene与成品碳纳米管两者物理混合，二是通过气相沉积的方式在二维MXene表面生长碳纳米管。物理混合MXene与碳纳米管间结合力较弱，且复合不均匀，成本较高，难以大规模生产。而气相沉积法工艺参数复杂，复合不均匀，且制备的碳管缠绕团聚，形貌结构难以控制，无法实现精确调控碳管的生长。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种三维MXene原位生长碳纳米管的通用合成方法，本发明以二维的过渡金属碳化物Ti₃C₂MXene和含碳高分子为前驱体在铁钴镍等过渡金属的催化作用下，通过喷雾热解技术制备了三维MXene表面原位生长着丰富的碳纳米管的纳米结构。该合成方法绿色环保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于规模化生产。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种三维MXene原位生长碳纳米管的通用合成方法，包括以下步骤：

第一步，室温下，向浓度为0.5-20mg mL^-1的MXene溶液中加入铁、钴、镍的氯化盐、硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐及其水合物的至少一种，然后加入尿素、单氰胺、双氰胺、三聚氰胺等含碳高分子中的至少一种作为碳源，超声分散10-60min，作为前驱体溶液。所述MXene溶液的溶剂为水或者含有1-11个碳原子的醇类的至少一种。所述含碳高分子与金属盐的质量比为1-10。所述含碳高分子与MXene的质量比为0.1-10。

第二步，利用超声雾化器将上述溶液雾化为尺寸约数微米的气溶胶微液滴。