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1. WO2020114196 - MXENE MATERIAL, PREPARATION METHOD THEREFOR AND APPLICATION THEREOF

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147   0148   0149   0150   0151   0152   0153   0154   0155   0156   0157   0158   0159   0160   0161   0162   0163   0164   0165   0166   0167   0168   0169   0170   0171   0172   0173   0174   0175   0176   0177   0178   0179   0180   0181   0182   0183   0184   0185   0186   0187   0188  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

附图

1   2A   2B   3   4   5   6   7A   7B   8   9   10   11   12   13   14   15A   15B   16   17   18   19A   19B   20  

说明书

发明名称 : 一种MXene材料及其制备方法与应用

技术领域

[0001]
本申请涉及二维晶体材料技术领域,具体涉及一种以Cl、Br、I等为表面基团的MXene材料及其制备方法与应用。

背景技术

[0002]
自石墨烯(graphene)2004年被发现以来,二维材料就因其高比表面积、高纵横比、具有独特的电子结构等性质而受到广泛的关注和研究。2011年,Naguib等人报道了一类名为MXene的新型二维材料。MXene材料是一类层状二维碳/氮化物,通常通过化学蚀刻法抽离其母相材料MAX相(M n+1AX n,n=1-3,M为过渡金属,A为IIIA或IVA族元素,X为C或N)中的A层原子层得到。MXene材料由于其丰富的成分结构可调控性、独特的层状结构、高导电率等特性,而在电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料、催化剂等领域有较好的应用。由于丰富的元素组成,表面官能团可调性,各种磁性顺序和大的自旋轨道耦合,此外,还有高比表面积,亲水性,吸附性和高表面反应活性,MXenes在很多领域引起了广泛关注,例如催化,离子电池,气体储存媒介和传感器等。
[0003]
一般来说,MXenes的制备都是通过HF酸溶液刻蚀MAX相实现。HF酸刻蚀掉MAX相的A层原子后,溶液中的-OH、-O和-F等基团会与成键不饱和的MX层单元结合,形成MXene。因此,该方法得到的MXene材料表面基团不可避免由-OH、-O、-F构成,且其成分比例难以控制。众多研究指出表面基团的变化,会引起MXene电子结构的变化,进而对其电学特性、磁学特性等带来深远的影响。理论预测表明表面基团全部由-O或者-Cl构成的MXene材料具有更好的化学稳定性和电子传输特性,其在储能等领域的应用性能要高于表面基团为-F的MXene材料。然而,截止目前为止,目前被合成出来的MXene材料如Ti 3C 2T x、Ti 2CT x、Zr 3C 2T x、Nb 2CT x、Ta 4C 3T x、V 2CT x、Ti 4N 3T x、Mo 2CT x、Hf 3C 2T x等,其表面基团大多由-OH、-O、-F构成,表面基团为其他类型(如-Cl、-Br或者-I)的MXene材料至今没有报道。MXene材料在电池电极领域具有广泛的应用,早期报道的以-F、-Cl、-O等为表面基团的MXene通常作为离子储存载体,其自身并不能提供电池充放电所必须的氧化还原反应。这主要是因为MXene表面的-F、-Cl、-O在充放电过程中一旦发生氧化,就会生成气态单质逸出,导致充放电反应不可逆。
[0004]
传统HF刻蚀法带来的环境污染以及-F基团,极大的限制的MXene材料的应用前景。因此,开发新型制备方法,得到表面基团类型可控的MXene材料,有助于对MXene材料的众多功能特性进行调节,提升其在现有领域的应用,并有望拓展出新的应用领域。
[0005]
发明内容
[0006]
本申请的主要目的在于提供一种MXene材料及其制备方法,从而克服现有技术的不足。
[0007]
本申请的另一主要目的在于提供所述MXene材料中的用途。
[0008]
为实现前述发明目的,本申请采用的技术方案包括:
[0009]
本申请实施例提供了一种MXene材料,所述MXene材料的分子式表示为M n+1X nY 2,其中M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta元素中的任意一种或者两种以上的组合,X为C、N元素中的任意一种或两种的组合,Y为Cl、Br、I元素中的任意一种或者两种以上的组合,n为1、2、3或4。
[0010]
本申请实施例还提供了一种前述MXene材料的制备方法,其包括:
[0011]
将前驱体MAX相材料与过渡金属氯化物、过渡金属溴化物和过渡金属碘化物中的任意一种或两种以上的组合按1:3~1:10的摩尔比混合,并将所获混合物于惰性气氛中在400℃~800℃进行高温反应1~48h,之后进行后处理,获得所述MXene材料;
[0012]
所述前驱体MAX相材料的分子式表示为M n+1AX n,其中M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta元素中的任意一种或者两种以上的组合,A选自ⅢA或ⅣA族元素,X为C、N元素中的任意一种或两种的组合,n为1、2、3或4。
[0013]
本申请实施例还提供了前述的MXene材料在制备电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料或者催化剂等领域中的用途。
[0014]
与现有技术相比,本申请的有益效果在于:
[0015]
1)本申请提供的以-Cl、-Br或-I为表面基团的MXene材料其化学稳定性和热稳定性优于传统F为表面基团的MXene,其电学性能、介电性能等具有更丰富的可调控空间,并且本申请所提供的制备方法简单易行,环境友好,避免了传统利用氢氟酸刻蚀法制备MXene材料的诸多缺陷,得到的-Cl、-Br或-I为表面基团的MXene材料在电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料、催化剂等领域有较好的应用;
[0016]
2)与早期报道的以-F、-O等为表面基团的MXene相比,本申请得到的-Cl、-Br或-I表面基团能够在MXene层间发生可逆的氧化还原反应,在氧化还原反应过程中能够以液态或固态形式稳定存在于MXene层间,为电池充放电反应提供稳定的反应原料,该特点是-F、-O 等气体元素基团所不具备的,因此本申请得到的以-Cl、-Br或-I为表面基团的MXene材料能够独立作为大容量、高稳定性卤素电池电极材料在锂、钠、锌等离子电池领域获得应用。

附图说明

[0017]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]
图1是本申请实施例1中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2及其前驱体MAX相Ti 3AlC 2的XRD谱图。
[0019]
图2a是本申请实施例1中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2的扫描电镜图。
[0020]
图2b是本申请实施例1中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2的能谱分析图。
[0021]
图3是本申请实施例1中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2的高分辨透射电镜图。
[0022]
图4是本申请实施例2中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2的扫描电镜图。
[0023]
图5是本申请实施例3中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2的扫描电镜图。
[0024]
图6是本申请实施例4中以Cl为表面基团的Ti 2CCl 2及其前驱体MAX相Ti 3AlC 2的XRD谱图。
[0025]
图7a是本申请实施例4中以Cl为表面基团的Ti 2CCl 2的扫描电镜图。
[0026]
图7b是本申请实施例4中以Cl为表面基团的Ti 2CCl 2的能谱分析图。
[0027]
图8是本申请实施例4中以Cl为表面基团的Ti 2CCl 2的高分辨透射电镜图。
[0028]
图9是本申请实施例5中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2及其前驱体MAX相Ti 3AlC 2的XRD谱图。
[0029]
图10是本申请实施例5中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2的扫描电镜图。
[0030]
图11是本申请实施例6中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2及其前驱体MAX相Ti 3SiC 2的XRD谱图。
[0031]
图12是本申请实施例6中以Cl为表面基团的Ti 3C 2Cl 2的扫描电镜图。
[0032]
图13是本申请实施例7中以Cl为表面基团的V 2CCl 2及其前驱体MAX相V 2AlC的XRD谱图。
[0033]
图14是本申请实施例7中以Cl为表面基团的V 2CCl 2的扫描电镜图。
[0034]
图15a是本申请实施例8中以Br为表面基团的Ti 3C 2Br 2的扫描电镜图。
[0035]
图15b是本申请实施例8中以Br为表面基团的Ti 3C 2Br 2的能谱分析图。
[0036]
图16是本申请实施例9中以Br为表面基团的Ti 3C 2Br 2及其前驱体MAX相Ti 3AlC 2的XRD谱图。
[0037]
图17是本申请实施例9中以Br为表面基团的Ti 3C 2Br 2的扫描电镜图。
[0038]
图18是本申请实施例10中以I为表面基团的Ti 3C 2I 2及其前驱体MAX相Ti 3AlC 2的XRD谱图。
[0039]
图19a是本申请实施例10中以I为表面基团的Ti 3C 2I 2的扫描电镜图。
[0040]
图19b是本申请实施例10中以I为表面基团的Ti 3C 2I 2的能谱分析图。
[0041]
图20是本申请实施例16中以Br为表面基团的Ti 3C 2Br 2的扫描电镜图。

具体实施方式

[0042]
鉴于现有技术存在的技术问题,本案发明人经长期研究和大量实践,非常意外的提出本申请的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0043]
本申请实施例的一个方面提供的一种MXene材料,其分子式表示为M n+1X nY 2,其中M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta元素等中的任意一种或者两种以上的组合,X为C、N元素中的任意一种或两种的组合,Y为Cl、Br、I元素中的任意一种或者两种以上的组合,n为1、2、3或4。
[0044]
在一些实施例中,所述的X可以优选为C xN y,其中x+y=1。
[0045]
在一些实施例中,所述MXene材料的晶体结构由M n+1X n单元以及位于所述M n+1X n单元表面的Y原子构成,其中Y原子与M原子成键结合。
[0046]
在一些更具体的实施例中,所述MXene材料的晶体结构由M n+1X n单元以及位于所述M n+1X n单元表面的Cl、Br或I原子构成,其中Cl、Br或I原子与M原子成键结合。
[0047]
在一些实施例中,所述MXene材料的形态为具有片层结构的粉体,所述片层结构由单层或多层M n+1X nY 2(如M n+1X nCl 2、M n+1X nBr 2或M n+1X nI 2等)构成。
[0048]
进一步地,所述片层结构的横向尺寸为5nm~50μm,单片厚度为0.5~20nm。
[0049]
本申请实施例的另一个方面还提供了一种MXene材料的制备方法,其包括:
[0050]
将前驱体MAX相材料与过渡金属氯化物、过渡金属溴化物和过渡金属碘化物中的任意一种或两种以上的组合按1:3~1:10的摩尔比混合,并将所获混合物于惰性气氛中在400℃~800℃进行高温反应1~48h,之后进行后处理,获得所述MXene材料;
[0051]
所述前驱体MAX相材料的分子式表示为M n+1AX n,其中M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、 Mo、Hf、Ta元素中的任意一种或者两种以上的组合,A选自ⅢA或ⅣA族元素,X为C、N元素中的任意一种或两种的组合,n为1、2、3或4。
[0052]
在一些实施例中,所述前驱体MAX相材料包括Ti 3AlC 2、Ti 3SiC 2、Ti 2AlC、Ti 2AlN、Ti 4AlN 3、Ti 2GaC、V 2AlC、V 2GaC、Cr 2GaN、Cr 2AlC、Sc 2AlC、Zr 2AlC、Zr 2SnC、Nb 2AlC、Nb 4AlC 3、Mo 2AlC、Mo 2GaN、Hf 2AlC、Hf 2AlN、Ta 3AlC 2、Ta 4AlC 3等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
[0053]
进一步地,所述过渡金属氯化物包括ZnCl 2、CuCl 2、CoCl 2、FeCl 2、NiCl 2等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
[0054]
进一步地,所述过渡金属溴化物包括CuBr 2、NiBr 2、FeBr 2和ZnBr 2等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
[0055]
进一步地,所述过渡金属碘化物包括CuI 2、NiI 2、FeI 2和ZnI 2等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
[0056]
进一步地,所述前驱体MAX相材料为粉体、块体、薄膜中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
[0057]
进一步地,所述过渡金属氯化物、过渡金属溴化物或过渡金属碘化物为粉体,且粒度为500nm~1μm。
[0058]
进一步地,所述的后处理包括:在所述的高温反应结束后,用酸溶液除去反应生成的过渡金属单质,并以去离子水对所获的反应产物进行清洗,之后于40~60℃干燥,获得所述MXene材料。
[0059]
本申请实施例的另一个方面还提供了前述以-Cl、-Br或-I为表面基团的MXene材料在制备电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料或者催化剂等领域中有较好的用途。
[0060]
综上所述,本申请提供的以-Cl、-Br或-I为表面基团的MXene材料其化学稳定性和热稳定性优于传统F为表面基团的MXene,其电学性能、介电性能等具有更丰富的可调控空间,并且本申请所提供的制备方法简单易行,环境友好,避免了传统利用氢氟酸刻蚀法制备MXene材料的诸多缺陷,得到的-Cl、-Br或-I为表面基团的MXene材料在电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料、催化剂等领域有较好的应用。
[0061]
与早期报道的以-F、-O等为表面基团的MXene相比,本申请得到的-Cl、-Br或-I表面基团能够在MXene层间发生可逆的氧化还原反应,在氧化还原反应过程中能够以液态或固态形式稳定存在于MXene层间,为电池充放电反应提供稳定的反应原料,该特点是-F、-O等气 体元素基团所不具备的,因此本申请得到的以-Cl、-Br或-I为表面基团的MXene材料能够独立作为大容量、高稳定性卤素电池电极材料在锂、钠、锌等离子电池领域获得应用。
[0062]
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及若干较佳实施例,对本申请的技术方案进行进一步详细的解释说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。此外,下面所描述的本申请各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0063]
实施例1
[0064]
本实施例中,以Cl为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Cl 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属氯化物为ZnCl 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Cl 2的制备方法如下:
[0065]
(1)称取粒度为500nm的ZnCl 20.15mol,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05mol,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0066]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:400℃,48小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0067]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0068]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为10%的稀盐酸中,浸泡2h,除去其中的Zn单质,得到Ti 3C 2Cl 2
[0069]
图1前驱体是MAX相为Ti 3AlC 2,与步骤3和步骤4所得产物的XRD图谱对比。通过对比可以看出:经过步骤3反应后,产物的(104)、(105)、(110)等衍射峰强度明显减弱,说明产物在沿该晶面的有序程度下降;(002)、(004)、(006)等衍射峰明显向低角度偏移,其对应的晶胞参数c值增加至22.10nm,高于Ti 3AlC 2的c值18.48nm。以上XRD图谱变化与利用HF刻蚀Ti 3AlC 2制备Ti 3C 2MXene的变化过程是一致的,说明位于Ti 3AlC 2层间的Al原子被抽离,且有新的原子嵌入。此外,产物中检测到了明显的Zn单质的衍射峰,这是因为ZnCl 2与Ti 3AlC 2中的Al原子发生化学反应导致,用盐酸浸泡后,Zn单质的衍射峰消失,得到高纯的Ti 3C 2Cl 2MXene。
[0070]
图2a是步骤4产物Ti 3C 2Cl 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Al原子被抽离,新嵌入的Cl原子引起Ti 3C 2Cl 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。图2b是对图2a的能谱分析,可以看出其主要元素构成为Ti:C:Cl=36.3:27.8:24.1,接近3:2:2的比例,此 外产物中有少量的O元素,这是产物洗涤过程中引入的。
[0071]
图3是通过高分辨透射电子显微镜对步骤4产物Ti 3C 2Cl 2的原子排列进行了确认,通过该图可以清晰的看出与Ti 3C 2层结合的Cl原子,有力的确认了产物是Ti 3C 2Cl 2
[0072]
实施例2
[0073]
本实施例中,以Cl为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Cl 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属氯化物为ZnCl 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Cl 2的制备方法如下:
[0074]
(1)称取粒度为800nm的ZnCl 20.3mol,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05mol,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0075]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:600℃,24小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0076]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0077]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为10%的稀盐酸中,浸泡2h,除去其中的Zn单质,得到Ti 3C 2Cl 2
[0078]
图4是步骤4产物Ti 3C 2Cl 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Al原子被抽离,新嵌入的Cl原子引起Ti 3C 2Cl 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。
[0079]
实施例3
[0080]
本实施例中,以Cl为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Cl 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属氯化物为ZnCl 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Cl 2的制备方法如下:
[0081]
(1)称取粒度为600nm的ZnCl 20.5mol,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05mol,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0082]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:800℃,1小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0083]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入60℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0084]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为10%的稀盐酸中,浸泡2h,除去其中的Zn单质,得到Ti 3C 2Cl 2
[0085]
图5是步骤4产物Ti 3C 2Cl 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Al原子被抽离,新嵌入的Cl原子引起Ti 3C 2Cl 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。
[0086]
实施例4
[0087]
本实施例中,以Cl为表面基团的MXene材料为Ti 2CCl 2,前驱体MAX相为Ti 2AlC,过渡金属氯化物为ZnCl 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 2CCl 2的制备方法如下:
[0088]
(1)称取粒度为1μm的ZnCl 20.5mol,粒度10μm的Ti 2AlC粉0.05mol,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0089]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:550℃,3小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0090]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0091]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为5%的稀盐酸中,浸泡2h,除去其中的Zn单质,得到Ti 2CCl 2
[0092]
图6前驱体是MAX相为Ti 2AlC,与步骤3和步骤4所得产物的XRD图谱对比。通过对比可以看出:经过步骤3反应后,产物的(103)、(106)、(110)等衍射峰强度明显减弱,说明产物在沿该晶面的有序程度下降;(002)、(004)、(006)等衍射峰明显向低角度偏移,其对应的晶胞参数c值增加至17.24nm,高于Ti 2AlC的c值13.52nm。以上XRD图谱变化说明位于Ti 2AlC层间的Al原子被抽离,且有新的原子嵌入。此外,产物中检测到了明显的Zn单质的衍射峰,这是因为ZnCl 2与Ti 2AlC中的Al原子发生化学反应导致,用盐酸浸泡后,Zn单质的衍射峰消失,得到Ti 2CCl 2MXene。另外产物中伴随少量的TiC杂质,这是前驱体Ti 2AlC中就存在的。
[0093]
图7a是步骤4产物Ti 2CCl 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 2C层间的Al原子被抽离,新嵌入的Cl原子引起Ti 2CCl 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。图7b是对图7a的能谱分析,可以看出其主要元素构成为Ti:C:Cl=31.3:23.8:33.7,接近2:1:2的比例,此外产物中有少量的O元素,这是产物洗涤过程中引入的。
[0094]
图8是通过高分辨透射电子显微镜对步骤4产物Ti 2CCl 2的原子排列进行了确认,通过该图可以清晰的看出与Ti 2C层结合的Cl原子,确认了产物是Ti 2CCl 2
[0095]
实施例5
[0096]
本实施例中,以Cl为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Cl 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属氯化物为FeCl 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Cl 2的制备方法如下:
[0097]
(1)称取粒度为700nm的FeCl 20.3mol,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05mol,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0098]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:650℃,5小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0099]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入50℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0100]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为10%的稀盐酸中,浸泡10h,除去其中的Fe单质,得到Ti 3C 2Cl 2
[0101]
图9前驱体是MAX相为Ti 3AlC 2,与步骤3和步骤4所得产物的XRD图谱对比。通过对比可以看出:经过步骤3反应后,产物的(104)、(105)、(110)等衍射峰强度明显减弱,说明产物在沿该晶面的有序程度下降;(002)、(004)、(006)等衍射峰明显向低角度偏移。以上XRD图谱变化说明位于Ti 3AlC 2层间的Al原子被抽离,且有新的原子嵌入。此外,产物中检测到了明显的Fe单质的衍射峰,这是因为FeCl 2与Ti 3AlC 2中的Al原子发生化学反应导致,用盐酸浸泡后,Fe单质的衍射峰消失,得到高纯的Ti 3C 2Cl 2MXene。
[0102]
图10是步骤4产物Ti 3C 2Cl 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Al原子被抽离,新嵌入的Cl原子引起Ti 3C 2Cl 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。
[0103]
实施例6
[0104]
本实施例中,以Cl为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Cl 2,前驱体MAX相为Ti 3SiC 2,过渡金属氯化物为CuCl 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Cl 2的制备方法如下:
[0105]
(1)称取CuCl 20.3mol,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.5mol,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0106]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:750℃,6小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0107]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24 小时后取出,得到固体产物。
[0108]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为10%的稀硝酸中,浸泡10h,除去其中的Cu单质,得到Ti 3C 2Cl 2
[0109]
图11前驱体是MAX相为Ti 3SiC 2,与步骤3和步骤4所得产物的XRD图谱对比。通过对比可以看出:经过步骤3反应后,产物的(104)、(105)、(110)等衍射峰强度明显减弱,说明产物在沿该晶面的有序程度下降;(002)、(004)、(006)等衍射峰明显向低角度偏移。以上XRD图谱变化说明位于Ti 3SiC 2层间的Si原子被抽离,且有新的原子嵌入。此外,产物中检测到了明显的Cu单质的衍射峰,这是因为CuCl 2与Ti 3SiC 2中的Al原子发生化学反应导致,用硝酸浸泡后,Cu单质的衍射峰消失,得到高纯的Ti 3C 2Cl 2MXene。
[0110]
图12是步骤4产物Ti 3C 2Cl 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Si原子被抽离,新嵌入的Cl原子引起Ti 3C 2Cl 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。
[0111]
实施例7
[0112]
本实施例中,以Cl为表面基团的MXene材料为V 2CCl 2,前驱体MAX相为V 2AlC,过渡金属氯化物为CuCl 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该V 2CCl 2的制备方法如下:
[0113]
(1)称取粒度为1μm的CuCl 20.5mol,粒度10μm的V 2AlC粉0.05mol,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0114]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:750℃,12小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0115]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0116]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为5%的稀盐酸中,浸泡2h,除去其中的Zn单质,得到Ti 2CCl 2
[0117]
图13前驱体是MAX相为V 2AlC和步骤4所得产物的XRD图谱对比。通过对比可以看出:经过步骤3反应后,产物的(103)、(106)、(110)等衍射峰强度明显减弱,说明产物在沿该晶面的有序程度下降;且(103)、(002)等衍射峰明显向低角度偏移,其对应的晶面间距增加。以上XRD图谱变化是由于位于V 2AlC层间的Al原子被抽离,Cl原子嵌入导致的晶胞参数增大所引起的。此外,值得注意的是,反应产物中有部分V 2AlC残留,这是因此V 2AlC中V-Al键结合较强,Al原子不容易被彻底抽离所导致的。
[0118]
图14是步骤4产物V 2CCl 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于V 2AlC层间的Al原子被抽离,新嵌入的Cl原子引起V 2CCl 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。
[0119]
此外,本案发明人还以本说明书述及的其它原料及工艺条件替代前述实施例1-7中的相应原料及工艺条件进行了相关实验,结果均显示,可以获得以Cl为表面基团的MXene材料。
[0120]
综述之,较之现有材料,本申请前述实施例提供的以Cl为表面基团的MXene材料的制备方法简单易行,环境友好,避免了传统利用氢氟酸刻蚀法制备MXene材料的诸多缺陷,得到的Cl为表面基团的MXene材料在电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料、催化剂等领域有较好的应用。
[0121]
实施例8
[0122]
本实施例中,以Br为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Br 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属氯化物为CuBr 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Br 2的制备方法如下:
[0123]
(1)称取CuBr 20.15摩尔,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0124]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:700℃,7小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0125]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0126]
(4)将以上固体产物置于20mL事先配好的摩尔分数为1mol/L的APS溶液中,浸泡2h,除去其中的Cu单质,得到Ti 3C 2Br 2
[0127]
图15a是本实施例所获产物Ti 3C 2Br 2MXene材料的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Al原子被抽离,新嵌入的Br原子引起Ti 3C 2Br 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。图15b是对图15a的能谱分析,可以看出其主要元素构成为Ti:Br=30.8:22.42,接近3:2的比例,此外产物中有少量的O元素,这是产物洗涤过程中引入的,少量的Cu单质是反应过程中Cu 2+被还原生成的。
[0128]
实施例9
[0129]
本实施例中,以Br为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Br 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属氯化物为NiBr 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Br 2的制备方法如下:
[0130]
(1)称取NiBr 20.75摩尔,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0131]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:700℃,7小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0132]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0133]
(4)将以上固体产物置于20mL质量分数为10%的稀盐酸中,浸泡2h,除去其中的Ni单质,得到Ti 3C 2Br 2
[0134]
图16前驱体是MAX相为Ti 3AlC 2,与步骤3和步骤4所得产物的XRD图谱对比。通过对比可以看出:经过步骤3反应后,产物的(104)、(105)、(110)等衍射峰强度明显减弱,说明产物在沿该晶面的有序程度下降;(002)、(004)、(006)等衍射峰明显向低角度偏移,其对应的晶胞参数c值增加至23.96nm,高于Ti 3AlC 2的c值18.48nm。以上XRD图谱变化与利用HF刻蚀Ti 3AlC 2制备Ti 3C 2MXene的变化过程是一致的,说明位于Ti 3AlC 2层间的Al原子被抽离,且有新的原子嵌入。此外,产物中检测到了明显的AlNi合金的衍射峰,这是因为NiBr 2与Ti 3AlC 2中的Al原子发生化学反应导致,用盐酸浸泡后,AlNi合金的衍射峰消失,得到高纯的Ti 3C 2B r2MXene。
[0135]
图17是步骤4产物Ti 3C 2Br 2Mxene材料的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Al原子被抽离,新嵌入的Br原子引起Ti 3C 2Br 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。
[0136]
实施例10
[0137]
本实施例中,以I为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2I 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属氯化物为CuI 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2I 2的制备方法如下:
[0138]
(1)称取CuI 20.3摩尔,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0139]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:700℃,12小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0140]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0141]
图18是前驱体是MAX相为Ti 3AlC 2,与步骤3所得产物的XRD图谱对比。通过对比可以看出:经过步骤3反应后,(002)、(004)、(006)等衍射峰明显向低角度偏移,其对应的晶胞参数c值增加至24.99nm,高于Ti 3AlC 2的c值18.48nm。以上XRD图谱变化与利用HF刻蚀Ti 3AlC 2制备Ti 3C 2MXene的变化过程是一致的,说明位于Ti 3AlC 2层间的Al原子被抽离,且有新的原子嵌入。此外,产物中检测到了明显的Cu单质和CuI的衍射峰,这是因为过量的CuI与Ti 3AlC 2中的Al原子发生化学反应,最终得到的MXene是Ti 3C 2I 2
[0142]
图19a是步骤3产物Ti 3C 2I 2MXene的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 3C 2层间的Al原子被抽离,新嵌入的I原子引起Ti 3C 2I 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。图19b是对图19a的能谱分析,可以看出其主要元素构成为Ti:I=31.28:20.60,接近3:2的比例,此外产物中有少量的O元素,这是产物洗涤过程中引入的,少量的Cu单质是反应过程中Cu 2+被还原生成的。
[0143]
实施例11
[0144]
本实施例中,以Br为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Br 2,前驱体MAX相为Ti 3SiC 2,过渡金属溴化物为CuBr 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Br 2的制备方法如下:
[0145]
(1)称取CuBr 20.15摩尔,粒度10μm的Ti 3SiC 2粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0146]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:700℃,10小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0147]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0148]
(4)将以上固体产物置于20mL事先配好的摩尔分数为1mol/L的APS溶液中,浸泡2h,除去其中的Cu单质,得到Ti 3C 2Br 2
[0149]
实施例12
[0150]
本实施例中,以Br为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2Br 2,前驱体MAX相为Ti 3AlCN,过渡金属溴化物为CuBr 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Br 2的制备方法如下:
[0151]
(1)称取CuBr 20.15摩尔,粒度10μm的Ti 3AlCN粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0152]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:700℃,7 小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0153]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0154]
(4)将以上固体产物置于20mL事先配好的摩尔分数为1mol/L的APS溶液中,浸泡2h,除去其中的Cu单质,得到Ti 3C 2Br 2
[0155]
实施例13
[0156]
本实施例中,以Br为表面基团的MXene材料为Sc 3C 2Br 2,前驱体MAX相为Sc 3AlC 2,过渡金属溴化物为CuBr 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Br 2的制备方法如下:
[0157]
(1)称取CuBr 20.15摩尔,粒度10μm的Sc 3AlC 2粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0158]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:400℃,48小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0159]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入40℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0160]
(4)将以上固体产物置于20mL事先配好的摩尔分数为1mol/L的APS溶液中,浸泡2h,除去其中的Cu单质,得到Sc 3C 2Br 2
[0161]
实施例14
[0162]
本实施例中,以I为表面基团的MXene材料为Ta 3C 2I 2,前驱体MAX相为Ta 3AlC 2,过渡金属碘化物为CuI 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ta 3C 2I 2的制备方法如下:
[0163]
(1)称取CuI 20.3摩尔,粒度10μm的Ta 3AlC 2粉0.03摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0164]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:800℃,1小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0165]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入60℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0166]
(4)将以上固体产物置于20mL事先配好的摩尔分数为1mol/L的APS溶液中,浸泡2h,除去其中的Cu单质,得到Ta 3C 2I 2
[0167]
实施例15
[0168]
本实施例中,以I为表面基团的MXene材料为Ti 3C 2I 2,前驱体MAX相为Ti 3AlC 2,过渡金属碘化物为NiI 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2I 2的制备方法如下:
[0169]
(1)称取NiI 20.15摩尔,粒度10μm的Ti 3AlC 2粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0170]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:700℃,7小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0171]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入50℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0172]
(4)将以上固体产物置于20mL事先配好的质量分数为10%的HCl溶液中,浸泡2h,除去其中的Ni单质,得到Ti 3C 2I 2
[0173]
实施例16
[0174]
本实施例中,以Br为表面基团的MXene材料为Ti 2CBr 2,前驱体MAX相为Ti 2AlC,过渡金属溴化物为CuBr 2,这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti 3C 2Br 2的制备方法如下:
[0175]
(1)称取CuBr 20.15摩尔,粒度10μm的Ti 2AlC粉0.05摩尔,将上述材料研磨混合,得到混合产物。
[0176]
(2)将混合物置于刚玉坩埚内,放入高温管式炉内进行反应。反应条件为:700℃,24小时,氩气保护。待管式炉温度降到室温后,取出坩埚内反应产物。
[0177]
(3)用去离子水洗涤反应产物:将反应产物放入烧杯中,加入去离子水,搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时,倒掉上清液。洗涤反应产物三次后,将其放入60℃的烘箱内,24小时后取出,得到固体产物。
[0178]
图20是本实施例所获产物Ti 3C 2Br 2MXene材料的扫描电镜图片,可以看出其表现出明显的MXene材料所特有的“手风琴”形貌结构,这是因为位于Ti 2C层间的Al原子被抽离,新嵌入的Br原子引起Ti 2CBr 2层之间的结合减弱,层间距增大,从而表现出多层结构。
[0179]
此外,本案发明人还以本说明书述及的其它原料及工艺条件替代前述实施例8-16中的相应原料及工艺条件进行了相关实验,结果均显示,可以获得以Br或I为表面基团的MXene材料。
[0180]
综述之,较之现有材料,本申请前述实施例提供的以Br或I为表面基团的MXene材料其化学稳定性和热稳定性优于传统F为表面基团的MXene,其电学性能、介电性能等具有更 丰富的可调控空间,本申请所提供的制备方法简单易行,环境友好,避免了传统利用氢氟酸刻蚀法制备MXene材料的诸多缺陷,得到的Br或I为表面基团的MXene材料在电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料、催化剂等领域有较好的应用。
[0181]
与早期报道的以-F、-O等为表面基团的MXene相比,本申请得到的-Br、-I表面基团能够在MXene层间发生可逆的氧化还原反应,在氧化还原反应过程中能够以液态或固态形式稳定存在于MXene层间,为电池充放电反应提供稳定的反应原料,该特点是-F、-O等气体元素基团所不具备的,因此本申请得到的以-Br、-I为表面基团的MXene材料能够独立作为大容量、高稳定性卤素电池电极材料在锂、钠、锌等离子电池领域获得应用。
[0182]
本申请的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本申请,本申请的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本申请的精神及范围的情况下,所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
[0183]
在本申请案中标题及章节的使用不意味着限制本申请;每一章节可应用于本申请的任何方面、实施例或特征。
[0184]
在本申请案通篇中,在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处,预期本申请教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成,且本申请教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
[0185]
除非另外具体陈述,否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
[0186]
应理解,各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要,只要本申请教示保持可操作即可。此外,可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
[0187]
此外,本案发明人还参照前述实施例,以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验,并均获得了较为理想的结果。
[0188]
尽管已参考说明性实施例描述了本申请,但所属领域的技术人员将理解,在不背离本申请的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外,可在不背离本申请的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本申请的教示。因此,本文并不打算将本申请限制于用于执行本申请的所揭示特定实施例,而是打算使本申请将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外,除非具体陈述,否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性,而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

权利要求书

[权利要求 1]
一种MXene材料,其特征在于:所述MXene材料的分子式表示为M n+1X nY 2,其中M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta元素中的任意一种或者两种以上的组合,X为C、N元素中的任意一种或两种的组合,Y为Cl、Br、I元素中的任意一种或者两种以上的组合,n为1、2、3或4。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的MXene材料,其特征在于:所述的X为C xN y,其中x+y=1。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的MXene材料,其特征在于:所述MXene材料的晶体结构由M n+1X n单元以及位于所述M n+1X n单元表面的Y原子构成,其中Y原子与M原子成键结合。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的MXene材料,其特征在于:所述MXene材料的形态为具有片层结构的粉体,所述片层结构由单层或多层M n+1X nY 2构成;优选的,所述片层结构的横向尺寸为5nm~50μm,单片厚度为0.5~20nm。
[权利要求 5]
权利要求1-4中任一项所述MXene材料的制备方法,其特征在于包括: 将前驱体MAX相材料与过渡金属氯化物、过渡金属溴化物和过渡金属碘化物中的任意一种或两种以上的组合按1:3~1:10的摩尔比混合,并将所获混合物于惰性气氛中在400℃~800℃进行高温反应1~48h,之后进行后处理,获得所述MXene材料; 所述前驱体MAX相材料的分子式表示为M n+1AX n,其中M为Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta元素中的任意一种或者两种以上的组合,A选自ⅢA或ⅣA族元素,X为C、N元素中的任意一种或两种的组合,n为1、2、3或4。
[权利要求 6]
根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述前驱体MAX相材料包括Ti 3AlC 2、Ti 3SiC 2、Ti 2AlC、Ti 2AlN、Ti 4AlN 3、Ti 2GaC、V 2AlC、V 2GaC、Cr 2GaN、Cr 2AlC、Sc 2AlC、Zr 2AlC、Zr 2SnC、Nb 2AlC、Nb 4AlC 3、Mo 2AlC、Mo 2GaN、Hf 2AlC、Hf 2AlN、Ta 3AlC 2、Ta 4AlC 3中的任意一种或两种以上的组合。
[权利要求 7]
根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述过渡金属氯化物包括ZnCl 2、CuCl 2、CoCl 2、FeCl 2、NiCl 2中的任意一种或两种以上的组合;和/或,所述过渡金属溴化物包括CuBr 2、NiBr 2、FeBr 2和ZnBr 2中的任意一种或两种以上的组合;和/或,所述过渡金属碘化物包括CuI 2、NiI 2、FeI 2和ZnI 2中的任意一种或两种以上的组合。
[权利要求 8]
根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述前驱体MAX相材料为粉体、块体、薄膜中的任意一种或两种以上的组合;和/或,所述过渡金属氯化物、过渡金属溴化物或过渡金属碘化物为粉体,且粒度为500nm~1μm。
[权利要求 9]
如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述的后处理包括:在所述的高温反应结束 后,用酸溶液除去反应生成的过渡金属单质,并以去离子水对所获的反应产物进行清洗,之后于40~60℃干燥,获得所述MXene材料。
[权利要求 10]
权利要求1-4中任一项所述的MXene材料在制备电化学储能用电极材料、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料或者催化剂领域中的用途。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2A]  
[ 图 2B]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7A]  
[ 图 7B]  
[ 图 8]  
[ 图 9]  
[ 图 10]  
[ 图 11]  
[ 图 12]  
[ 图 13]  
[ 图 14]  
[ 图 15A]  
[ 图 15B]  
[ 图 16]  
[ 图 17]  
[ 图 18]  
[ 图 19A]  
[ 图 19B]  
[ 图 20]