一种无氧刻蚀制备的MXene及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及材料制备技术领域，具体公开一种无氧刻蚀制备的MXene及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：将MAX相材料加入耐腐蚀的密闭容器中，通入卤素氟化物气体和氟气至预设压力，升温刻蚀，得MXene材料。本发明专利技术在密闭加压条件下，采用含氟气体或氟气对MAX相材料进行高压刻蚀，制备得到的MXene材料表面不含有含氧官能团，导电性好，将其作为电极材料制备得到的超级电容器具有优良的电容性能和循环稳定性，同时，制备工艺简单，不需要使用氢氟酸溶液，工艺安全可靠，在高性能超级电容器中具有广阔的应用前景。容器中具有广阔的应用前景。容器中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种无氧刻蚀制备的MXene及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料制备
，尤其涉及一种无氧刻蚀制备的MXene及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]20世纪60年代，Nowotny等人首先提出了三元过渡族金属碳化物或氮化物的概念，之后，人们发现了一些具有类似结构的化合物M
n+1
AX
n
，比如TiSiC2、Ti3AlC2、Ti3GeC2等。2011年，德雷克塞尔大学的Gogotsi团队通过氢氟酸溶液选择性刻蚀三元层状碳化物Ti3AlC2的Al层，得到了拥有类石墨烯二维结构的Ti3C2T
x
，其中T
x
代表表面官能团(如
‑
O，
‑
OH，
‑
F等)，并将其命名为MXene。
[0003]由于氢氟酸刻蚀法简单且易于规模化，制备得到的MXene片层结构相对完整，更适合作为衬底，所以目前氢氟酸刻蚀仍是制备MXene的主流手段。但是，在刻蚀以及后续的处理过程中，MXene会不可避免的发生氧化，降低其导电能力，不利于MXene的应用。除此之外，氢氟酸是一种高毒性、高危险性的有害物质，同时，其与MAX反应会放出大量的热，有爆沸的危险，工艺安全性和环保性较差。因此，急需研发一种新型的MXene的制备工艺，以提高制备得到的MXene的性能，扩大其应用领域。

技术实现思路

[0004]针对现有的制备MXene材料的方法制备得到的MXene材料的导电性较差，以及工艺的安全性和环保性较差等问题，本专利技术提供一种无氧刻蚀制备的MXene及其制备方法和应用。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：
[0006]一种无氧刻蚀制备MXene的方法，包括如下步骤：
[0007]将MAX相材料加入耐腐蚀的密闭容器中，通入卤素氟化物气体和氟气至预设压力，升温刻蚀，得MXene材料。
[0008]相对于现有技术，本专利技术提供的无氧刻蚀制备MXene的方法，在密闭加压条件下，采用含氟气体或氟气对MAX相材料进行高压刻蚀，可使F原子插层进入MXene层间，刻蚀后Ti原子暴露出的活性位点与F形成Ti
‑
F键，避免与O结合形成Ti
‑
O键，造成氧化，Ti
‑
F键间强烈的分子间斥力，可以增大MXene的层间距，电解液更容易浸润，比表面积增大，提高活性位点，还能保证在长期循环周期中MXene结构的稳定性，从而使其具有良好的倍率性能和循环稳定性；更为关键的是，在密闭无氧条件下进行气体刻蚀，避免其表面形成含氧官能团，从而最大限度地提高MXene材料的电容性能。
[0009]本专利技术所制备的MXene材料电导率高，片层结构稳定性高，具有优异的电化学性能，将其作为电极材料制备得到的超级电容器，比容量高，循环寿命长，为超级电容器提供了一种优越的电极材料，且制备工艺简单易行，可进行大规格生产，为高性能MXene材料的制备和性能优化开辟了一种新型的工艺，具有广阔的应用前景。
[0010]具体地，本专利技术中刻蚀过程按照如下方程式进行：
[0011]M
n+1
AlX
n
+5/2F2＝AlF3+M
n+1
X
n
F2[0012]进一步地，先将卤素氟化物气体持续通入密闭容器中，预设时间后，开始通入氟气，至预设压力，同时停止通入卤素氟化物气体和氟气。
[0013]先将卤素氟化物通入密闭容器中与MAX相材料密封静置一定时间，使MAX相材料进行预氟化，然后再通入氟气，可提高刻蚀效果，使氟原子插层进入MXene层间，插入层间的氟原子可降低MXene材料的自堆叠效应，增大层间距，增加了阴阳离子在层间的嵌入脱出速率和电化学活性位点，显著提高了MXene材料的电化学性能。
[0014]具体地，本专利技术中所用密闭容器为耐氟气腐蚀的密闭容器，设有卤素氟化物气体的进气口和氟气进气口。
[0015]示例性的，所述密闭容器为蒙萘尔合金或镍合金材质的反应釜。
[0016]作为本专利技术的一种具体实施方式，先开启卤化氟化物进气口，将卤素氟化物气体通入密闭容器中，预设时间后，再开启氟气进气口，将氟气和卤素氟化物气体同时通入密闭容器中，达到预设压力后，同时关闭卤素氟化物进气口和氟气进气口。
[0017]需要说明的是，在通入卤素氟化物气体之前，可采用惰性气体对密闭容器进行吹扫，以保证密闭容器的无氧环境。
[0018]上述惰性气体可选用本领域常规的惰性气体，如氮气、氩气等。
[0019]优选的，所述预设时间为1h
‑
2h。
[0020]优选的，所述预设压力为59KPa
‑
118KPa。
[0021]优选的，达到预设压力时，密闭容器中卤素氟化物气体与氟气的体积比为2:1
‑
4:1。
[0022]优选的，所述升温刻蚀的温度为200℃
‑
400℃，时间为6h
‑
24h。
[0023]优选的刻蚀条件，可使含氟气体或氟气对MAX相材料进行充分刻蚀，制备得到类手风琴状结构，表面光滑且无褶皱的多层MXene材料，并有利于氟原子插层进入MXene层间，改善MXene材料的电化学性能。
[0024]优选的，所述卤素氟化物气体为IF5、ClF3或BF3中至少一种。
[0025]具体地，所述MAX相材料包括Ti3AlC2、Ti2AlC、Nb2AlC或V2AlC。
[0026]本专利技术提供的无氧刻蚀方法适用于具有M2AlX、M3AlX2和M4AlX3结构的MAX相材料的刻蚀。
[0027]具体地，刻蚀反应结束后，降温，取出刻蚀产物，用无水乙醇和去离子水洗涤产物，干燥，得MXene材料。
[0028]本专利技术还提供了一种MXene材料，由上述任一项所述的无氧刻蚀制备的MXene的方法制备得到。
[0029]本专利技术还提供了上述MXene材料在超级电容器中的应用。
[0030]本专利技术还提供了一种电极，包括上述的MXene材料。
[0031]本专利技术还提供了一种超级电容器，包括上述的电极。
[0032]本专利技术制备的MXene材料，表面不含有含氧官能团，导电性好，插层在MXene间的氟原子可以增加层间距，提高MXene层结构的稳定性，将其作为电极材料制备得到的超级电容器具有优良的电容性能和循环稳定性，同时，制备工艺简单，不需要使用氢氟酸溶液，工艺
安全可靠，适合规模化生产应用，在高性能超级电容器中具有广阔的应用前景。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例1制备的MXene材料的SEM图；
[0034]图2为本专利技术对比例1制备的MXene材料的SEM图；
[0035]图3为为本专利技术实施例1和对比例1制备的MXene材料的XPS图；
[0036]图4为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无氧刻蚀制备MXene的方法，其特征在于，包括如下步骤：将MAX相材料加入耐腐蚀的密闭容器中，通入卤素氟化物气体和氟气至预设压力，升温刻蚀，得MXene材料。2.如权利要求1所述的无氧刻蚀制备MXene的方法，其特征在于，先将卤素氟化物气体持续通入密闭容器中，预设时间后，开始通入氟气，至预设压力，同时停止通入卤素氟化物气体和氟气。3.如权利要求2所述的无氧刻蚀制备MXene的方法，其特征在于，所述预设时间为1h
‑
2h。4.如权利要求1或2所述的无氧刻蚀制备MXene的方法，其特征在于，所述预设压力为59KPa
‑
118KPa。5.如权利要求1或2所述的无氧刻蚀制备MXene的方法，其特征在于，达到预设压力时，密闭容器中卤素氟化物气体与氟...

【专利技术属性】
技术研发人员：安浩然，李蒙倩，王圣元，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：