本發明涉及一種MXene復合材料的制備方法。

背景技術：

2011年美國德雷塞爾大學(Drexel University)的Yury Gogotsi教授和Michel W.Barsoum教授等人合作發現了一種新型二維過渡金屬碳化物或碳氮化物，由于其獨特的類似石墨烯(graphene)的層裝結構，將其命名為MXene。其化學通式可用M_n+1X_nT_z表示，其中M指過渡族金屬，X指C或/和N，n一般為1～3，T_z指表面基團(如OH^-、F^-等)。它具有石墨烯高比表面積、高電導率的特點，又具備組分靈活可調，最小納米層厚可控等優勢，已在儲能、吸附、傳感器、導電填充劑等領域展現出巨大的潛力。如今，MXene在吸波領域的應用還較少，由于其電性能優異，電磁波通過時會發生介電損耗。然而，純的MXene的吸波性能并不理想。

技術實現要素：

本發明是要解決現有的二維過渡金屬碳化物或碳氮化物MXene吸波性能差的技術問題，而提供一種MXene-聚苯胺復合材料及其制備方法。

本發明的MXene-聚苯胺復合材料是由層狀的二維過渡金屬碳化物及包覆在二維過渡金屬碳化物表面的聚苯胺殼層組成，其中二維過渡金屬碳化物的質量與聚苯胺的質量之比為1：(0.5～2.5)。

本發明的MXene-聚苯胺復合材料中，聚苯胺均勻吸附在MXene表面，從而在MXene表面形成一層包覆層，通過聚苯胺調節MXene的電性能，使得復合材料達到阻抗匹配，當電磁波通過時，將產生損耗，使得電磁波信號減弱。同時由于MXene多層性能及聚苯胺包覆層的存在，使得電磁波能夠在其中來回反射，擴大了電磁波衰減路徑，進一步增強了材料的吸波性能。

上述的MXene-聚苯胺復合材料的制備方法，按以下步驟進行：

一、稱量二維過渡金屬碳化物(MXene)、苯胺和過硫酸銨[(NH₄)₂S₂O₈]，其中二維過渡金屬碳化物的質量與苯胺的體積的比為1g:(0.3～3)mL，過硫酸銨的質量與苯胺的體積的比為(2.5～2.75)g：1ml；

二、將苯胺加入到水中，攪拌后得到苯胺/水分散液，再用鹽酸調節苯胺/水分散液的pH值為1.5～2，得到苯胺的鹽酸鹽溶液；

三、將苯胺的鹽酸鹽溶液加入到二維過渡金屬碳化物的水分散液中，在0～5℃下攪拌混合6～18h，得到MXene/苯胺混合液；

四、將過硫酸銨溶于水中，用鹽酸調節pH值為1.5～2，得到過硫酸銨溶液，將該過硫酸銨溶液滴加到MXene/苯胺混合液中，在0～5℃的條件下攪拌反應6～18h，反應完畢后，用pH為1.5的鹽酸洗滌3～5次，離心干燥，得到MXene-聚苯胺復合材料。

本發明的MXene-聚苯胺復合材料的制備方法，將苯胺的鹽酸鹽溶液加入到二維過渡金屬碳化物的水分散液中，攪拌過程中，苯胺單體充分進入二維過渡金屬碳化物的層間以及吸附在表面，由于苯胺的鹽酸鹽帶正電荷，二維過渡金屬碳化物的表面帶有大量OH^-、F^-，使其帶負電，正負電荷的相互吸引，致使苯胺單體均勻吸附在二維過渡金屬碳化物表面，再利用過硫酸銨使得苯胺單體聚合，形成包覆在二維過渡金屬碳化物表面的聚苯胺殼層。由于聚苯胺(PANI)是一種導電高聚物，具有優異的電性能。在MXene表面復合上聚苯胺后，聚苯胺將改善MXene的電性能，可以使得MXene/PANI復合物的阻抗達到一個很好的匹配，當電磁波通過這種材料時將發生介電損耗，同時MXene的層間也可以使得電磁波在材料里來回反射，進而增加電磁波的衰減路徑，從而材料產生優異的吸波性能。

本發明制備的MXene-聚苯胺復合材料可用于吸波領域。

附圖說明

圖1是試驗1制備的Ti₃C₂的掃描電鏡照片；

圖2是試驗1制備的MXene-聚苯胺復合材料的掃描電鏡照片；

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的MXene-聚苯胺復合材料是由層狀的二維過渡金屬碳化物及包覆在二維過渡金屬碳化物表面的聚苯胺殼層組成，其中二維過渡金屬碳化物或碳氮化物的質量與聚苯胺的質量之比為1：(0.5～2.5)。

具體實施方式二：具體實施方式一所述的MXene-聚苯胺復合材料的制備方法，按以下步驟進行：

一、稱量二維過渡金屬碳化物(MXene)、苯胺和過硫酸銨[(NH₄)₂S₂O₈]，其中二維過渡金屬碳化物的質量與苯胺的體積的比為1g:(0.3～3)mL，過硫酸銨的質量與苯胺的體積的比為(2.5～2.75)g：1ml；

二、將苯胺加入到水中，攪拌后得到苯胺/水分散液，再用鹽酸調節苯胺/水分散液的pH值為1.5～2，得到苯胺的鹽酸鹽溶液；

三、將苯胺的鹽酸鹽溶液加入到二維過渡金屬碳化物的水分散液中，在0～5℃下攪拌混合6～18h，得到MXene/苯胺混合液；

四、將過硫酸銨溶于水中，用鹽酸調節pH值為1.5～2，得到過硫酸銨溶液，將該過硫酸銨溶液滴加到MXene/苯胺混合液中，在0～5℃的條件下攪拌反應6～18h，反應完畢后，用pH為1.5的鹽酸洗滌3～5次，離心干燥，得到MXene-聚苯胺復合材料。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式二不同的是步驟一中所述的二維過渡金屬碳化物為Ti₃C₂；其它與具體實施方式二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式三不同的是步驟一中所述的二維過渡金屬碳化物為Ti₃C₂的制備方法按以下步驟進行：

(1)將濃度為6mol/L～12mol/L的濃鹽酸與氟化鋰在塑料容器中充分混合至均勻，得到乳白色混合液；其中濃鹽酸的體積與氟化鋰的質量的比為10ml：(0.5～1.5)g；

(2)在攪拌條件下，將Ti₃AlC₂加入到混合液中，該反應過程劇烈且放熱，其中Ti₃AlC₂與氟化鋰的質量比為1：(1～1.5)；加完之后，在40～60℃下攪拌反應24～60h，反應結束后水洗至pH值為5～6，得到Ti₃C₂漿液。

其它與具體實施方式三相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式二至四之一不同的是步驟二中所述的鹽酸的濃度為2mol/L；其它與具體實施方式二至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式二至五之一不同的是步驟三中在攪拌混合時的溫度為3℃，混合時間為12h；其它與具體實施方式二至四之一相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式二至六之一不同的是步驟四中調節pH值所用的鹽酸的濃度為2mol/L；其它與具體實施方式二至六之一相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式二至六之一不同的是步驟四中攪拌反應的溫度為3℃，反應時間為12h；其它與具體實施方式二至六之一相同。

用以下試驗驗證本發明的有益效果：

試驗1：本試驗的MXene-聚苯胺復合材料的制備方法，按以下步驟進行：

一、制備二維過渡金屬碳化物Ti₃C₂，其過程按以下步驟進行：

(1)將10mL濃度為10mol/L的濃鹽酸與1.2g氟化鋰在塑料容器中充分混合至均勻，得到乳白色混合液；

(2)在攪拌條件下，將1g Ti₃AlC₂加入到混合液中，該反應過程劇烈且放熱，加完之后，在50℃下攪拌反應48h，反應結束后水洗至pH值為5.5，得到Ti₃C₂漿液；

二、制備MXene-聚苯胺復合材料，其過程按以下步驟進行：

(1)稱量含有0.5gTi₃C₂的Ti₃C₂漿液、0.5mL苯胺和1.25g過硫酸銨[(NH₄)₂S₂O₈]；

(2)將苯胺加入到32.5mL水中，攪拌后得到苯胺/水分散液，再用2mol/L鹽酸調節苯胺/水分散液的pH值為1.5，得到苯胺的鹽酸鹽溶液；

(3)將苯胺的鹽酸鹽溶液加入到Ti₃C₂漿液中，在1℃下攪拌12h，得到Ti₃C₂/苯胺混合液；

(4)將過硫酸銨溶于32.5mL水中，用2mol/L的鹽酸調節pH值為1.5，得到過硫酸銨溶液，將該過硫酸銨溶液滴加到Ti₃C₂/苯胺混合液，在1℃的條件下攪拌反應12h，反應完畢后，用pH為1.5的鹽酸洗滌5次，離心干燥，得到Ti₃C₂-聚苯胺復合材料。

本試驗的Ti₃C₂漿液烘干后，得到Ti₃C₂，其掃描電鏡照片如圖1所示，從中可以看出Ti₃C₂為層狀結構。

本試驗將步驟一中制備的Ti₃C₂漿液干燥后，得到Ti₃C₂的掃描電鏡照片如圖1所示，從圖1可以看出Ti₃C₂為層狀結構。本試驗經步驟二制備的Ti₃C₂-聚苯胺復合材料的掃描電鏡照片如圖2所示，從圖2可以看出，Ti₃C₂表面發生形貌發生明顯的變化，說明聚苯胺成功復合到Ti₃C₂表面，但其層狀結構依然清晰可見。

將本試驗制備的Ti₃C₂-聚苯胺復合材料與石蠟按質量比1∶1在80℃混合均勻，制成圓環，利用矢量網絡分析儀測試出樣品的復介電常數與復磁導率常數，計算可知，當材料厚度為1.6mm，在17.2GHz處，反射損耗達到-45.26dB。當材料的反射損耗為-10dB時，微波吸收達到90％，即認為材料擁有良好的吸波性能，當反射損耗為-20dB時，微波吸收達到99％，當反射損耗為-40dB時，微波吸收達到了99.99％。經測試證明本試驗制備的Ti₃C₂-聚苯胺復合材料吸波效果良好。

試驗2：本試驗的MXene-聚苯胺復合材料的制備方法，按以下步驟進行：

一、制備二維過渡金屬碳化物Ti₃C₂，其過程按以下步驟進行：

(1)將10mL濃度為10mol/L的濃鹽酸與1.5g氟化鋰在塑料容器中充分混合至均勻，得到乳白色混合液；

(2)在攪拌條件下，將1.5Ti₃AlC₂加入到混合液中，該反應過程劇烈且放熱，加完之后，在60℃下攪拌反應50h，反應結束后水洗至pH值為5.5，得到Ti₃C₂漿液；

二、制備MXene-聚苯胺復合材料，其過程按以下步驟進行：

(1)稱量含有0.5gTi₃C₂的Ti₃C₂漿液、1mL苯胺和2.5g過硫酸銨[(NH₄)₂S₂O₈]；

(2)將苯胺加入到32.5mL水中，攪拌后得到苯胺/水分散液，再用2mol/L鹽酸調節苯胺/水分散液的pH值為1.5，得到苯胺的鹽酸鹽溶液；

(3)將苯胺的鹽酸鹽溶液加入到Ti₃C₂漿液中，在3℃下攪拌12h，得到Ti₃C₂/苯胺混合液；

(4)將過硫酸銨溶于32.5mL水中，用2mol/L的鹽酸調節pH值為1.5，得到過硫酸銨溶液，將該過硫酸銨溶液滴加到Ti₃C₂/苯胺混合液，在3℃的條件下攪拌反應18h，反應完畢后，用pH為1.5的鹽酸洗滌5次，離心干燥，得到Ti₃C₂-聚苯胺復合材料。

將本試驗制備的Ti₃C₂-聚苯胺復合材料與石蠟按質量比1∶1在80℃混合均勻，制成圓環，利用矢量網絡分析儀測試出樣品的復介電常數與復磁導率常數，計算可知，當材料厚度為1.4mm，在17.2GHz處，反射損耗達到-43.04dB，具有很好的吸波效果。