[發明專利]一種少層MXenes的快速制備方法及應用

有效

• 申請號: 201910840634.0
• 申請日: 2019-09-06
• 公開（公告）號: CN110534741B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 韓偉強;張順龍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M4/62;H01M10/04;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明公開了一種少層MXenes的快速制備方法及應用，該方法中少層MXenes材料的制備是通過將多層MXenes液相剝離，獲得分散性良好的少層MXenes溶液；通過引入電解質溶液，破壞少層MXenes溶液的靜電平衡，借助陽離子輔助的靜電聚沉工藝(如NH⁴⁺),經靜置或低速離心或抽濾，所得溶膠、或沉淀、或濾餅即為少層的MXenes材料；然后經冷凍干燥及后續的退火處理，可以實現少層MXenes粉體的宏量制備。具有工藝過程簡單，制備的少層MXenes具有層數薄、片徑大、分散性好、無團聚結塊現象，并具有良好的電化學性能，適用于鋰離子電池或鈉離子電池的大規模開發和應用。

技術領域

本發明涉及納米材料技術領域，尤其涉及一種少層MXenes的快速制備方法及應用。

背景技術

MXenes材料通常是通過腐蝕MAX相材料中的“A”制得，MAX相晶體中金屬鍵、離子鍵和共價鍵并存，其中M為過渡族金屬元素，A主要為第三主族和第四主族族元素，X為碳和或氮，M與X之間主要以共價鍵和離子鍵的形式連接，之間的結合強度很高；M與A元素之間以及A與A元素之間則多以金屬鍵相連，故化學鍵的強度相對較弱。因此只要選擇適當的方法選擇性地刻蝕MAX相中的A層原子就可以獲得具有二維形貌特征的MXenes材料，直接將MAX刻蝕得到的為多層MXenes，如果將其剝離，經過后續工藝，便可以制備得到少層的MXenes(10層左右及以下，不超過20層)，MXenes的化學通式可用M_n+1X_nT_x表示，其中M為金屬元素Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf和Ta等，X為C、N或CN，n一般為1-3，T_x指表面吸附的一些不確定的基團(如O、OH、F)，也可以省略T_x，直接用M_n+1X_n表示，即M_n+1X_nT_x和M_n+1X_n的表示方法具有可替換性。豐富的化學元素組成和獨特的層狀結構，賦予MXenes材料許多意想不到的性能，Mxenes具有優異的導電性(電導率10⁵S/m)、電導率達到部分金屬級別；機械性能佳(較好的拉伸強度和柔性)，柔性易成膜而直接使用，避免了后續制備的成型過程；層間距較大并且柔性可調，刻蝕超聲得到的MXeness層間距在1nm左右，層與層之間是范德華力，層間距柔性可調而不破壞其層狀結構，MXenes表面官能團賦予其親水性及表面結構可調性，同時不顯著影響其導電性，合理利用MXenes的性質和結構，可制備性能優良的儲能材料和器件。

授權公告號為CN106495210B的中國專利公開了一種MXenes膠體的制備方法，通過將H₂SO₄溶液與NH₄HF₂混合，利用混合過程中產生的氫氟酸對MAX原料進行刻蝕，產生的硫酸銨具有吸熱性，減小了反應的劇烈程度，避免了直接使用HF酸的危險性，但制備得到的MXenes材料層數較厚，結合層間距為1nm左右，推測其層數在5000層左右，無法充分發揮MXenes二維材料的優勢。申請號為201810359588.8的中國專利公開了一種三維MXenes的制備方法，通過把MXenes分散在溶劑中，超聲分散將多層MXenes剝離成少層，后續通過冷凍干燥的方式來制備MXenes粉體，由于溶液中含有大量的水，使得凍干過程比較緩慢(常規冷凍干燥機，在離心管里凍干5ml水就需要2天左右)，整個制備過程費時費力。