一种MXene二维材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种MXene二维材料及其制备方法和用途，其中，该MXene二维材料化学式表示为M

【技术实现步骤摘要】
一种MXene二维材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术是关于新材料
，特别是关于一种新型MXene二维材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，由于其具有与石墨烯相类似的二维结构，又命名为MXene，其化学通式为M
n+1
X
n
T
x
，其中M选自过渡金属元素，如Ti、Zr、V、Mo等，X代表C或N元素，T
x
为表面基团，通常为
‑
OH、
‑
O、
‑
F和
‑
Cl。单层的MXene层厚度约1nm，而它们的横向尺寸又可达几十微米以上，这种独特的结构和表面特性使MXene表现出独特的电学性能、光学特性、热学稳定性等优异特性，在储能、催化、吸附等领域有潜在的应用前景。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种新型的MXene材料，其在X位上具有多元素掺杂。
[0004]本专利技术第一方面提供一种MXene二维材料，其化学式表示为M
n+1
(X
a
Y1‑
a
)
n
，其中，M选自过渡金属元素中的一种或多种，X选自碳、氮、硼中的一种或多种，Y选自磷、氧、硫、硒或碲元素中的一种或多种；0＜a＜1，n介于1至4之间。
[0005]在一些实施方式中，上述MXene二维材料包括：由过渡金属元素的原子组成的M层和由X和Y的原子组成的XY层，M层与XY层交替排列；和/或，M层与XY层呈六方蜂巢结构；和/或，所述过渡金属元素的原子占据八面体的中心位置。
[0006]在一些实施方式中，上述M选自钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨元素中的一种或多种。
[0007]在一些实施方式中，上述MXene二维材料含有官能团，官能团选自：磷、氧、硫、硒或碲元素中的一种或多种。
[0008]在一些实施方式中，上述X为碳和/或氮元素，其化学式表示为M
n+1
(C
α
N
β
Y1‑
α
‑
β
)
n
，其中，0＜α+β＜1，0≤α＜1，0≤β＜1。
[0009]在一些实施方式中，上述M选自钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨元素中的一种、两种、三种、四种、五种或六种。
[0010]本专利技术第二方面还提供一种上述的MXene二维材料的制备方法，步骤包括：含卤族元素官能团的MXene材料与磷、氧、硫、硒或碲元素的单质、氢化物或金属盐反应得到。
[0011]在一些实施方式中，上述含卤族元素官能团的MXene材料的制备方法，包括：将刻蚀剂与MAX相材料反应，将所述MAX相材料中的A组分刻蚀得到，所述刻蚀剂选自卤族单质、卤族氢化物或卤族金属盐中的一种或多种。
[0012]在一些实施方式中，上述卤族单质选自：Br2或I2；上述卤族氢化物选自：HCl、HBr或HI；上述卤族金属盐选自：三氯化铝、二氯化锌、氯化铜、氯化铁、氯化亚铁中的一种或多种。
[0013]在一些实施方式中，上述刻蚀剂与MAX相材料的反应，其反应温度介于300℃至1800℃；和/或，反应时间介于1min至10h；
[0014]在一些实施方式中，上述含卤族元素官能团的MXene材料中，所述卤族元素官能团选自
‑
Cl或
‑
I。
[0015]在一些实施方式中，上述刻蚀剂由固体热分解或升华生成；优选地，所述固体包括：卤族铵化物、碘单质或卤族金属盐；或，所述刻蚀剂由液体气化生成；优选地，所述液体包括：卤族酸溶液，或，液化的卤族氢化物或单质；所述化合物为卤族金属盐；或，所述刻蚀剂由化合物与酸溶液发生化学反应生成。
[0016]本专利技术第三方面还提供一种上述的MXene二维材料；或上述制备方法得到的MXene二维材料在半导体电子器件、光电器件和光催化、电池、超级电容材料、电磁吸收与屏蔽材料、热障涂层或者催化剂中的应用。
[0017]现有的技术中对通过增加元素类型对MXene材料的实现性能调控，主要是通过对MXene的原料MAX相进行多元素高温烧结，得到多元素的MAX相材料，然后再通过刻蚀得到MXene材料。这种方法通常是调整MAX相材料中M位上的过渡金属元素的种类，进而得到多种过渡金属元素的MXene材料。
[0018]本专利技术还提供了一种该新型MXene材料的制备方法，以含有卤素官能团的MXene材料为原料，与磷、氧、硫、硒或碲元素的单质或化合物进行反应得到，其中，磷、氧、硫、硒或碲元素能够进入至原料MXene中的X位，得到一种新型的MXene材料，实现了在X位上的非金属元素的掺杂，为MXene材料的多元素调控提供了一种新的思路。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例1的新型MXene材料M
n+1
(X
a
Y1‑
a
)
n
原子结构模型图的正视图和俯视图；
[0020]图2是本专利技术实施例2的新型MXene材料的扫描电镜图：(a)Ti4N3Cl2，(b)Ti4(N
a
O1‑
a
)3‑
O2；
[0021]图3是本专利技术实施例2的Ti4AlN3，Ti4N3Cl2和新型MXene材料Ti4(N
a
O1‑
a
)3‑
O2的XRD图谱；
[0022]图4是本专利技术实施例2的Ti4N3Cl2和新型MXene材料Ti4(N
a
O1‑
a
)3‑
O2的高分辨Ti 2pXPS图谱
[0023]图5是本专利技术实施例2的新型MXene材料Ti4(N
a
O1‑
a
)3‑
O2的(a)STEM图，(b)Ti元素，(c)N元素和(d)O元素分布图；
[0024][0025]图6是本专利技术实施例2的Ti4N3Cl2和新型MXene材料O K
‑
edge XAS图谱；
[0026]图7是本专利技术实施例2的Ti4N3Cl2和新型MXene材料(a)Ti K
‑
edge XAS图谱，(b)扩展XAS图谱的傅立叶变换图谱；
[0027]图8是本专利技术实施例3的新型MXene材料Ti3(C
a
S1‑
a
)2‑
S2的扫描电镜图；
[0028]图9是本专利技术实施例3的新型MXene材料Ti3(C
a
S1‑
a
)2‑
S2的XRD图谱；
[0029]图10是本专利技术实施例3的新型MXene材料Ti3(C
a
S1‑
a
)2‑
S2的(a)STEM图，(b)Ti元素，(c)C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene二维材料，其特征在于，所述MXene二维材料化学式表示为M
n+1
(X
a
Y1‑
a
)
n
，其中，M选自过渡金属元素中的一种或多种，X选自碳、氮、硼中的一种或多种，Y选自磷、氧、硫、硒或碲元素中的一种或多种；0＜a＜1，n介于1至4之间。2.如权利要求1所述的MXene二维材料，其特征在于，其包括：由所述过渡金属元素的原子组成的M层和由所述X和所述Y的原子组成的XY层，所述M层与所述XY层交替排列；和/或，所述M层与所述XY层呈六方蜂巢结构；和/或，所述过渡金属元素的原子占据八面体的中心位置。3.如权利要求1所述的MXene二维材料，其特征在于，所述M选自钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨元素中的一种或多种；和/或，所述MXene二维材料含有官能团，所述官能团选自：磷、氧、硫、硒或碲元素中的一种或多种。4.如权利要求1至3中任一项所述的MXene二维材料，其特征在于，所述X为碳和/或氮元素，其化学式表示为M
n+1
(C
α
N
β
Y1‑
α
‑
β
)
n
，其中，0＜α+β＜1，0≤α＜1，0≤β＜1。和/或，所述M选自钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨元素中的一种、两种、三种、四种、五种或六种。5.一种如权利要求1至4中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，杜志国，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：