[发明专利]一种利用电化学阳离子插层制备MXenes的方法

说明书

一种利用电化学阳离子插层制备MXenes的方法，涉及一种制备MXenes的方法。本发明是要解决现有的HF刻蚀方法制备的MXene材料残留的端基‑F在用作超级电容器电极时对比电容会产生负面影响的技术问题。本发明：一、TiO₂NTs/Ti₆Al₄V片的制备；二、制备TiC；三、电化学阳离子插层的Mxenes的制备。本发明提出一种表面端基可控的无氟刻蚀剂引入的MXenes制备方法，以在有限空间内实现数量更多和速度更快的电荷传输，从而进一步提高MXenes材料的体积能量密度。本发明制备出的Mxenes电极材料的面积比电容可达387mF·cm^‑2，在超级电容器具有很大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及一种制备MXenes的方法。

背景技术

MXene基材料以其独特的表面化学、可调节的成分和物理化学性质引起了能量转换和储存(energy conversion and storage，ECS)领域的广泛关注。由于MAX相中A原子和M的键合程度相对较弱，具有较高的化学活性，可通过不同的刻蚀方法将层间的A原子去除，导致表面M原子上产生悬挂键，以减少表面Gibbs自由能。通过刻蚀工艺的改变，可将不同的端基键合到M原子上来满足配位的要求。然而，关于MXene的报道虽然很多，但对MXene表面端基的调控设计和合成关注却较少。这是因为MXene纳米片的表面特性高度依赖于制备方法，而目前HF刻蚀方法仍然是制备MXene材料使用最广的方法之一。研究结果表明，表面-F基团是新制备的MXene的主要基团，只有经过老化或氩气溅射后-O等含氧基团的量才会逐渐增加。无论是选择HF刻蚀剂、熔融的三元共晶氟化盐刻蚀剂还是改良的刻蚀剂氟化盐(LiF、NaF、KF和FeF₃)和HCl，这些含氟刻蚀剂合成的Mxenes材料残留的端基-F在用作超级电容器电极时对比电容会产生负面影响。并且HF蚀刻温度、蚀刻时间和HF浓度这些参数都会影响MXene纳米片的质量，并且有报道指出，高强的酸性蚀刻可能导致更多的表面缺陷或甚至降低MXene的产率。因此，开发一种Mxenes的无氟合成方法，同时对其表面端基进行可控修饰，这对于提高器件性能以及可持续发展具有重要意义。

发明内容

本发明是要解决现有的HF刻蚀方法制备的MXene材料残留的端基-F在用作超级电容器电极时对比电容会产生负面影响的技术问题，而提供一种利用电化学阳离子插层制备MXenes的方法。

本发明的利用电化学阳离子插层制备MXenes的方法是按以下步骤进行的：

一、TiO₂NTs/Ti₆Al₄V片的制备：将钛合金Ti₆Al₄V片裁剪成表面尺寸为1cm×3cm，依次用丙酮和无水乙醇超声波震荡洗涤干净，自然晾干；NaHSO₄和NaF的混合水溶液作为电解液，以晾干后的钛合金Ti₆Al₄V片为阳极，铂片为阴极的两电极体系，施加30V～50V的电压，阳极氧化2h～2.5h，取出阳极材料，用去离子水冲洗，吹干，得到TiO₂ NTs(纳米管阵)/Ti₆Al₄V片；所述的电解液中NaHSO₄的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L，NaF的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L；

二、制备TiC：将5g～6g的PEG6000(碳源)铺在瓷舟中，将步骤一制备的TiO₂NTs/Ti₆Al₄V片固定在瓷舟中的PEG6000上，将瓷舟放置于管式炉中，在氩气保护下以5℃/min～10℃/min的升温速度从室温加热到500℃～550℃并保温1h～1.5h，然后在氩气保护下以5℃/min～10℃/min的升温速度升温至1000℃～1100℃并保温2.5h～3h，在氩气保护下随炉冷却至室温，在瓷舟中得到TiC；