[发明专利]一种电化学制备MXene的方法

说明书

本发明提供了本发明提供了一种电化学制备MXene的方法，包括：将MAX母材制成工作电极并固定于电解池中,向电解池中添加电解液以使工作电极浸入电解液，所述电解液为含氟阴离子液体以作为刻蚀剂，将工作电极作为正极并加电压，含氟阴离子液体电离产生·F自由基，所述·F自由基刻蚀MAX母材中的A层原子；电解结束后，将含有MXene分散液的电解液分离，制得MXene材料。本发明电化学剥离法采用温和、绿色、无污染的离子液体作为电解液，在电化学剥离过程中不会产生强腐蚀性的氢氟酸以及其它强酸、强碱等副产物，制备过程安全无毒，且电化学加压范围小，安全性高，实现了MXene的绿色制备。

技术领域

本发明涉及二维纳米材料技术领域，具体涉及一种电化学制备二维金属碳氮化物MXene的方法。

背景技术

MXene是近年来最具前景的二维材料之一。它是一种由过渡金属氮化物或碳化物构成的层状结构材料，自2011年被美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授团队首次制备成功后，凭借其优异的特性，迅速在学术界引起广泛的关注。MXene材料的化学式为M_n+1X_nT_x，其中(n＝1–3)，M代表早期过渡金属；X代表C或N；T代表表面基团，主要为-OH，-O和-F。MXene材料是通过将母材MAX材料中的A层刻蚀后得到。其中A为Al或Si。由于F-离子与Al或Si可形成强化学键，因此可以实现选择性刻蚀。传统的MXene制备方法采用氢氟酸作为刻蚀剂，氢氟酸具有强腐蚀性，环境污染严重，限制了MXene的规模化应用。并且氢氟酸会造成MXene表面缺陷，降低材料的性能(例如电容性能)。研究MXene的新型绿色制备工艺已成为了急需解决的热点问题。

目前，为了减少HF的使用，一些研究者采用氟化氢铵(NH₄HF₂)或者采用盐酸与氟化物反应原位生成HF作为刻蚀剂。此外，还有采用强碱氢氧化钠在高温(如200℃)下进行刻蚀以制备MXene。有研究者采用强酸(HCl)作为电解液，通过电化学的方法制备Mxene，在电化学过程中，强酸的腐蚀性加强，容易造成过度刻蚀的情况，生成碳单质，因此难以实现MXene的可控电化学制备。并且，这些方法要么在制备过程中仍然会生成氢氟酸，要么需要高温，强酸，强碱等环境，具有较大的危险性和环境污染性，难以实现规模化生产与应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电化学制备MXene的方法，该电化学制备MXene的方法是一种安全性高、工艺简单的绿色制备MXene材料的方法，避免了使用或产生氢氟酸，也传统制备过程需要高温、高压、强酸、强碱等危险性、污染性环境的缺陷，能够实现规模化生产与应用。

本发明提供了一种电化学制备MXene的方法，包括：

将MAX母材制成工作电极并固定于电解池中,向电解池中添加电解液以使工作电极浸入电解液，所述电解液为含氟阴离子液体以作为刻蚀剂，将工作电极作为正极并加电压，含氟阴离子液体电离产生·F自由基，所述·F自由基刻蚀MAX母材中的A层原子；

电解结束后，将含有MXene分散液的电解液分离，制得MXene材料。

本发明一具体实施方式中，所述含氟阴离子液体为含氟阴离子的有机溶剂，所述含氟阴离子液体中的含氟阴离子为四氟硼酸根离子和六氟磷酸根离子中的至少一种。

优选地，所述含氟阴离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的至少一种。

优选地，所述有机溶剂包括乙腈、酒精、异丙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃和二氯甲烷中的至少一种。