[发明专利]二维金属碳化物基三维多孔MX烯网络材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种二维金属碳化物基三维多孔MX烯网络材料及其制备方法，它是由二维金属碳化物纳米片(MX烯)通过化学键或超分子力相互连接构筑而成，并且具有三维多孔结构。本发明采用刻蚀剂处理密实层状三元金属碳化物MAX相材料制得手风琴状二维MX烯，然后用一定浓度的碱溶液对手风琴状MX烯材料进行处理，从而得到三维多孔MX烯网络材料。本发明方法简单易行，可解决二维MX烯材料制备及应用过程中的严重团聚堆叠问题，获得的三维多孔MX烯网络材料具有优异的物理化学性质，在电化学储能、催化和吸附等领域有着重要的应用。

技术领域

本发明属于纳米能源材料领域，具体涉及一种二维金属碳化物基三维多孔MX烯网络材料及其制备方法。

背景技术

二维MX烯纳米片是通过腐蚀密实层状金属碳化物MAX相并经过剥离得到的二维纳米材料，它具有较高的反应活性及大的比表面积，因此在储能、催化、吸附等领域具有很好的应用前景。然而，二维MX烯纳米片材料在制备及应用过程中易堆叠团聚成块状材料，严重影响其使用效果。Yruy课题组基于正电的碳纳米管(CNT)与负电的Ti₃C₂MXene间的静电相互作用，通过抽滤方法成功制备了Ti₃C₂MXene/CNT复合薄膜，CNT的存在有效抑制了Ti₃C₂MXene，有利于电化学测试过程中电解液的扩散与离子传输，因此Ti₃C₂MXene/CNT复合薄膜在20mA g^-1的电流密度下实现了高达421mA h cm^-3的体积比容量，远优于纯Ti₃C₂MXene与常规方法制备的复合薄膜的电化学性能[Xiuqiang Xie,et al.Nano Energy,2016,26:513]。除了构建复合材料外，基于MXene材料本身构建多孔结构的工作鲜有报道，其难点在于粘土类MXene易于团聚，通过传统三维多孔制备方法(如冷冻干燥)也难以实现三维多孔MXene材料，因此，设计和开发新型纳米结构MXene材料及其其制备方法，来解决二维MX烯材料在制备及应用过程中存在的堆叠团聚问题具有重要意义。

发明内容

针对二维MX烯纳米片材料制备及应用过程中存在的堆叠团聚问题，本发明的目的在于，提供一种二维金属碳化物基三维多孔MX烯网络材料及其制备方法。

本发明一种二维金属碳化物基三维多孔MX烯网络材料，所述三维多孔MX烯网络由二维MX烯纳米片通过化学键或超分子力相互连接构筑而成，并且具有三维交联多孔结构。

所述M为过渡金属元素，包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc或Mo中的一种或多种；X为C或N元素中的一种或两种；M：X的比例为2:1、3:2或4:3。

本发明一种二维金属碳化物基三维多孔MX烯网络材料的制备方法，通过以下步骤实现：

(1)将MAX相与刻蚀剂按一定量的配比混合均匀；

(2)将步骤(1)的混合物料反应一定时间后分离、洗涤、干燥得到手风琴状MX烯；

(3)将步骤(2)得到的手风琴状MX烯材料与一定浓度的碱溶液按一定的配比混合均匀；

(4)将步骤(3)的手风琴状MX烯与碱溶液的混合物料在保护气氛下，搅拌或振荡条件下反应0.5-240h后，分离、洗涤、干燥得到三维多孔MX烯网络材料；

所述步骤(1)的MAX相中M为过渡金属元素，包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc或Mo中的一种或多种，A为Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、TI或Pb中的一种或多种，X为C或N元素中的一种或两种。

所述步骤(1)刻蚀剂为氢氟酸，或LiF与HCl的混合液；所述氢氟酸质量分数为10-60％,优选40％～60％；所述混合液中LiF与HCl的浓度比为1mol/L：2.36mol/L。