本發(fā)明屬于納米功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

MXene作為一類新型二維納米材料于2011年首次報(bào)道，主要通過氧氟酸選擇性的腐蝕除去原料MAX相中的A成分制備得到。MXene是一種新型過渡金屬碳化物二維材料，具有類石墨烯結(jié)構(gòu)，由于其獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、良好的電容性和親水性，使其在功能陶瓷、吸波材料、超級電容器，離子電池等領(lǐng)域有了初步應(yīng)用。碳納米材料具有低密度、高強(qiáng)度、高比表面積、優(yōu)異的熱和化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的電化學(xué)性質(zhì)，成為相關(guān)人員的研究熱點(diǎn)。由于特殊形狀和大小，碳納米顆粒被引入到其他物質(zhì)中作為改性增強(qiáng)物質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于吸波，吸附，催化，電化學(xué)等領(lǐng)域。

MXene材料本身得到了較為廣泛的研究，但MXene材料特性單一、表面缺陷較多、層間距小等缺點(diǎn)限制了該材料的進(jìn)一步應(yīng)用。將碳納米材料引入到MXene材料層間和表面能夠極大地增加其比表面積，進(jìn)一步提高M(jìn)Xene片層的利用率；所得復(fù)合材料兼具碳納米材料特性，可增強(qiáng)MXene材料導(dǎo)電性質(zhì)和介電性質(zhì)，拓展MXene材料的應(yīng)用空間。

雖然現(xiàn)階段關(guān)于MXene的相關(guān)工作發(fā)展迅猛，但是關(guān)于其組裝的工作并不多，將碳納米材料引入到Mxene材料中尚未有專利報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法，針對MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料特性單一、表面缺陷較多、層間距小等缺點(diǎn)。

技術(shù)方案

一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將MAX陶瓷粉料浸沒在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～40wt％的HF溶液中，MAX濃度為0.05～0.1g/ml；然后在溫度20～65℃之下磁力攪拌反應(yīng)10～120h；

采用去離子水離心洗滌至溶液pH值為7，真空抽濾得到固態(tài)物質(zhì)，40～80℃真空干燥8～40h，得到二元層狀納米材料MXene；

步驟2：將MXene置于單糖溶液中，超聲分散0.5～24h，在真空條件下浸漬2～10h得到混合溶液；

所述單糖溶液為濃度為0.1～1mol/L的單糖溶液；所述MXene與單糖質(zhì)量比為0.1～2；

步驟3：將混合溶液導(dǎo)入水熱反應(yīng)釜內(nèi)膽中，升溫至150～220℃，保溫2～20h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫得到沉淀產(chǎn)物；所述反應(yīng)釜內(nèi)膽填充度為60～80％；

步驟4：將所得沉淀產(chǎn)物用去離子水離心洗滌至溶液pH值為7，真空抽濾得到固態(tài)樣品，在40～100℃真空干燥8～40h，即得到碳納米顆粒分布在MXene材料的層間與表面的碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。

所述單糖溶液采用超聲分散得到均勻單糖溶液。

所述單糖可為果糖或葡萄糖。

所用MAX陶瓷粉料粒徑為0.1～30μm，純度≥98％。

當(dāng)MAX陶瓷粉料為Ti₃AlC₂或Ti₂AlC時(shí)，得到的二元層狀納米材料Mxene為Ti₃C₂或Ti₂C。

有益效果

本發(fā)明提出的一種碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法，采用水熱法將碳納米顆粒在MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料層間和表面生成，包括：二維層狀碳化鈦納米材料MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)的氫氟酸腐蝕制備；經(jīng)超聲，真空浸漬，水熱等步驟處理原料MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)和單糖，使碳納米顆粒在MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料層間和表面生成，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。其方法簡單高效適合大量制備。獲得的復(fù)合材料增強(qiáng)了單一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的力學(xué)性能，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；復(fù)合材料有效地增大了MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的比表面積，并使其兼具碳納米材料的特殊性質(zhì)，具有具有更加優(yōu)異的介電及電化學(xué)性質(zhì)。因此碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦納米復(fù)合材料的性能優(yōu)于單一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料，其應(yīng)用將更加廣泛。

通過該方法制備的復(fù)合材料彌補(bǔ)了單一MXene(Ti₃C₂/Ti₂C)材料的缺點(diǎn)，兼具二維納米碳化鈦材料與碳納米材料的特性。該方法具有原料無毒無污染、成本低廉、制備工藝簡單、反應(yīng)可控等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的工藝流程圖

圖2(a)為MXene的SEM圖譜；圖2(b)為MXene負(fù)載碳納米顆粒的SEM圖譜

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實(shí)施實(shí)例一

本實(shí)施例包括以下步驟：

(1)稱量10g Ti₃AlC₂陶瓷粉料，浸沒在200ml濃度為40wt％HF溶液中常溫下磁力攪拌反應(yīng)80h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，80℃真空干燥40h，即得到MXene(Ti₃C₂)納米材料。其形貌如圖2(a)所示。

(2)取1.26g葡萄糖溶解于70ml去離子水中，超聲分散5h，獲得單糖溶液；將0.63g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₃C₂)加入到配制好的葡萄糖溶液之中，超聲分散24h，真空浸漬10h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應(yīng)釜中在180℃下反應(yīng)6h，所述反應(yīng)釜內(nèi)膽填充度為60～80％；

(4)將所得產(chǎn)物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態(tài)樣品，在100℃真空干燥40h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。其形貌如圖2(b)所示。

實(shí)施實(shí)例二

本實(shí)施例包括以下步驟：

(1)稱量1g Ti₂AlC陶瓷粉料,浸沒在10ml濃度為10wt％HF溶液中40℃下磁力攪拌反應(yīng)10h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，40℃真空干燥8h，即得到MXene(Ti₂C)納米材料。

(2)取5g葡萄糖溶解于30ml去離子水中，超聲分散0.5h，獲得葡萄糖溶液，將0.5g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₂C)加入到配制好的葡萄糖溶液之中，超聲分散0.5h，真空浸漬4h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應(yīng)釜中在150℃下反應(yīng)10h；所述反應(yīng)釜內(nèi)膽填充度為60～80％；

(4)將所得產(chǎn)物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態(tài)樣品，在80℃真空干燥8h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。

實(shí)施實(shí)例三

本實(shí)施例包括以下步驟：

(1)稱量20g Ti₃AlC₂陶瓷粉料,浸沒在400ml濃度為30wt％HF溶液中65℃下磁力攪拌反應(yīng)120h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，60℃真空干燥24h，即得到MXene(Ti₃C₂)納米材料。

(2)取4g果糖溶解于30ml去離子水中，超聲分散2h，獲得果糖溶液，將1g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₃C₂)加入到配制好的果糖溶液之中，超聲分散10h，真空浸漬2h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應(yīng)釜中在220℃下反應(yīng)20h；所述反應(yīng)釜內(nèi)膽填充度為60～80％；

(4)將所得產(chǎn)物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態(tài)樣品，在100℃真空干燥20h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。

實(shí)施實(shí)例四

本實(shí)施例包括以下步驟：

(1)稱量10g Ti₂AlC陶瓷粉料,浸沒在200ml濃度為20wt％HF溶液中20℃下磁力攪拌反應(yīng)20h；將所得溶液用去離子水洗滌至pH約為7，抽濾成固體粉體，50℃真空干燥30h，即得到MXene(Ti₂C)納米材料。

(2)取4g果糖溶解于60ml去離子水中，超聲分散2h，獲得果糖溶液；將2g步驟二所獲得的二維層狀材料MXene(Ti₂C)加入到配制好的果糖溶液之中，超聲分散10h，真空浸漬5h；

(3)將浸漬好的溶液置于水熱反應(yīng)釜中在200℃下反應(yīng)20h；所述反應(yīng)釜內(nèi)膽填充度為60～80％；

(4)將所得產(chǎn)物用去離子水離心洗滌至溶液pH值約為7，真空抽濾得到固態(tài)樣品，在70℃真空干燥20h，即得到碳納米顆粒/二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。