[发明专利]一种二维层状Nb4C3Tx材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种安全可靠、简易可行的二维层状纳米化合物Nb₄C₃T_x材料及其制备方法，包括制备Nb₄AlC₃粉末；将Nb₄AlC₃粉末放入氢氟酸中腐蚀、离心处理；加入TBAOH搅拌、清洗、离心并超声，得到主要含TBA⁺与少量H⁺、F⁺和OH^‑混合插层物的纳米层状结构化合物；取上清液并抽滤，烘干后得到片层状的Nb₄C₃T_x薄膜；将沉淀物烘干，得到堆垛的层片状Nb₄C₃T_x粉体；本发明制备的MXene纳米材料具有明显的类石墨烯的二维层状结构，有望应用于超级电容器、锂离子电池、吸附等领域。

技术领域

本发明属于新材料制备技术领域，特别涉及一种二维纳米层状化合物Nb₄C₃T_x及其制备方法和用途。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，新能源的开发利用对解决严峻的环境问题有重要作用，超级电容器和锂离子电池作为二次储能装置具有功率密度大、循环寿命长、环境污染轻等优点；近年来，随着石墨烯的发现与其独特的物理、化学性能，掀起了二维晶体的研究热潮；二维层状纳米化合物是一种类石墨烯结构的材料，由于比表面积高的特性使其具有多种优异的性能，除石墨烯外，还有过渡族金属二硫化物、金属氧化物等；近年，Barsoum等利用氢氟酸选择性刻蚀掉三维层状化合物MAX中的Al原子得到具有类石墨烯结构的二维晶体化合物并命名为MXene；其化学式为M_n+1X_n，n=1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳/氮元素；MXene的前驱体为MAX是一种兼具金属与陶瓷的优越性能的三元层状结构，M、X、n与上述一样，A为主族元素，目前已知MAX相有60多种，通过刻蚀可以制备大量具有特殊性能的MXene，这对于二维晶体材料的制备与研究有重要意义；一方面，MXene具有良好的电化学存储电荷的性能，因为被认为是超级电容器和锂离子电池的电极材料之一；另一方面，该材料在化学吸附、水污染处理等方面具有很大的潜在应用价值；因其具有结构稳定、循环性能好，电子导电性优异等诸多优点，因而可以看作一种理想的超级电容器和锂离子电池正极材料。

目前，主要的MXene制备方法是通过氢氟酸刻蚀MAX相，Ti₃C₂是目前研究最为广泛和成熟的MXene相，而其他材料的插层和分层机制，包括如何制备高性能单层 MXene 片和纳米管，以及扩充 MXene 成员仍需投入大量的时间和精力。

发明内容

发明目的：本发明的目的旨在解决上述现阶段的技术难题，提供一种安全可靠、简易可行的二维层状纳米化合物Nb₄C₃T_x材料及其制备方法。

技术方案：一种二维层状Nb₄C₃T_x材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将Nb、Al、C粉末按照摩尔比4:1.1:2.7混匀后，在1700℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Nb₄AlC₃陶瓷块体材料，将制备的Nb₄AlC₃陶瓷材料进行研磨处理，得到Nb₄AlC₃陶瓷粉体；

步骤二、将Nb₄AlC₃陶瓷粉体放入一定浓度的氢氟酸中，腐蚀一定时间，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，倒去去上清液，得到沉淀物，清洗到PH大于等于5，目的是去除氢氟酸；