本發(fā)明涉及二維過渡金屬碳化物或氮化物，更具體地涉及一種二維過渡金屬碳化物或氮化物的制備方法。

背景技術(shù)：

MAX是一種含C或N的金屬碳化物或者金屬氮化物，其化學(xué)式為M_n+1AX_n，其中‘M’代表過渡金屬元素(Ti、Nb、V、Ta等)，‘A’主要為第三和第四主族元素(Al、Si等)，‘X’是碳或氮元素。利用化學(xué)法將前驅(qū)體MAX相中A層元素選擇性腐蝕可獲得新型的二維納米材料稱作二維過渡金屬碳化物或氮化物(MXene)。這種二維納米材料具有獨特且優(yōu)異的力學(xué)、電子、磁學(xué)性能。以含有Al元素的Ti₃AlC₂相為例，將Ti₃AlC₂粉末加入到一定濃度的HF水溶液中，攪拌一段時間。離心過濾得到混合物，利用去離子水清洗固體物質(zhì)。最終，緊密堆積的MAX相顆粒轉(zhuǎn)變成為一種像手風(fēng)琴一樣松散堆積的結(jié)構(gòu)，即MXene納米片。

在MAX相腐蝕過程中，用到的HF溶液具有強烈的腐蝕性，且毒性較大。同時，M元素在含F(xiàn)的溶液中不穩(wěn)定。因此，HF溶液對MAX相中Al、Si元素的腐蝕過程，容易對MXene片層的結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致各片層腐蝕不均勻。當(dāng)MAX相中Al、Si元素沒有完全除掉時，HF處理后各片層之間通常通過殘留的Al、Si元素結(jié)合在一起而仍然具有較強的結(jié)合力，僅通過后續(xù)超聲難以得到較好的剝離效果，所得產(chǎn)物中大部分仍然是粘附在一起的多層MXene片，而單層或幾層納米片所占的比重很少。如需獲得單層結(jié)構(gòu)的MXene納米片，還需逐級離心分離，從而造成單層MXene納米片的制備效率很低。而且，HF腐蝕產(chǎn)物中AlF₃，是一種不溶于酸和堿的雜質(zhì)，難以除去，對MXene的性質(zhì)有很大的影響。因此，須研究一種綠色環(huán)保、可控及高效率制備高質(zhì)量的單層MXene納米片的新技術(shù)，進一步推動MXene的基礎(chǔ)研究，提升材料的實際應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的無法得到單層MXene納米片的問題，本發(fā)明旨在提供一種二維過渡金屬碳化物或氮化物的制備方法。

本發(fā)明所述的二維過渡金屬碳化物或氮化物的制備方法，包括步驟：S1，將金屬碳化物或者金屬氮化物與強堿混合均勻得到混合物，其中，該金屬碳化物或者金屬氮化物選自由Ti₂AlC、Ti₃AlC₂、Ti₃SiC₂、Ti₄SiC₃、Ti₂AlN、V₂AlC、V₃AlC₂、V₄AlC₃、V₄SiC₃、Nb₂AlC、Nb₄AlC₃、Nb₄SiC₃、Ta₂AlC、Ta₃AlC₂和Ta₃SiC₂組成的組中的至少一種，該強堿選自由KOH、RbOH和CsOH組成的組中的至少一種；S2，將所述混合物用去離子水洗，得到單層分散的二維過渡金屬碳化物或氮化物膠體溶液。

令人意外的是，強堿NaOH無法進入MAX的M層和X層之間，因此無法實現(xiàn)腐蝕A(Al或Si)的目的。

所述步驟S1包括：S11，將金屬碳化物或者金屬氮化物與強堿混合均勻得到第一混合物；S12，將所述第一混合物置于水熱釜中，50-200℃反應(yīng)10-48h得到第二混合物。

令人意外的是，直接將步驟S11的第一混合物用去離子水洗得到的MXene的收率大概在50％左右；而經(jīng)過步驟S12的水熱處理可以促進A(Al或Si)的腐蝕，利用去離子水洗第二混合物得到的MXene的收率接近100％。

所述步驟S12在180-200℃反應(yīng)10-24h。

所述步驟S1具體為將固體的金屬碳化物或者金屬氮化物與固體的強堿研磨均勻得到混合物。

所述步驟S1中的強堿與金屬碳化物或者金屬氮化物的摩爾比不小于1。

所述步驟S1中的強堿與金屬碳化物或者金屬氮化物的質(zhì)量比為3.5-35。

所述步驟S1包括將金屬碳化物或者金屬氮化物、強堿和水?dāng)嚢杈鶆虻玫交旌衔铩?/p>

所述步驟S1中的水與強堿的摩爾比為0.04-120。

令人意外的是，水的下限可以趨于0，因為強堿具有很強的吸水性，在研磨過程中，其可以吸附空氣中的水分，其足以維持水熱過程中腐蝕的進行。

所述步驟S1中的水與強堿的摩爾比為22.5-120。

根據(jù)本發(fā)明的二維過渡金屬碳化物或氮化物的制備方法，其不涉及到有毒有害的HF溶液，僅利用強堿將MAX相中的Al、Si層完全腐蝕掉，得到片層之間不會相互粘連的MXene，即所得MXene納米片可以在水溶液中以單層形式分散。總之，本發(fā)明的制備方法是一種綠色環(huán)保無污染的得到單層二維納米片層的方法。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例得到的Ti₃C₂納米片的掃描電子顯微鏡照片；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例得到的Ti₃C₂納米片的原子力顯微鏡照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，并予以詳細描述。

實施例1

1.將Ti₂AlC(0.1g)，KOH固體(3.5g)和水(135ml)攪拌均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝120；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)200℃反應(yīng)10小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

該MXene膠體溶液中的MXene(Ti₃C₂)納米片的掃描電子顯微鏡照片如圖1所示，由此可知，相比HF處理后手風(fēng)琴松散堆積的結(jié)構(gòu)，根據(jù)本實施例所得材料的片層為透明狀，說明此方法所得的MXene片層較薄，比HF處理方法要更好。

該MXene膠體溶液中的MXene(Ti₃C₂)納米片的原子力顯微鏡(AFM)照片如圖2所示，由此可知，片層的厚度約為1.2納米，小于兩層MXene的厚度，確認為單層的結(jié)構(gòu)。單層的MXene片厚度為～0.95nm，從原子力顯微鏡圖中可以看出，實驗所得MXene納米片的厚度為1.2nm左右。因此，實驗中強堿腐蝕并洗滌后得到的為單層分散的MXene膠體溶液。

實施例2

1.將V₂AlC(0.1g)和KOH固體(0.35g)空氣中研磨均勻；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)180℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例3

1.將Nb₂AlC(0.1g)和KOH固體(3.5g)研磨均勻；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)180℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例4

1.將Ti₂AlN(0.1g)，KOH固體(0.35g)和水(135ml)攪拌均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝120；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)50℃反應(yīng)48小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例5

1.將Ta₂AlC(0.1g)和RbOH固體(0.35g)空氣中研磨均勻；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)80℃反應(yīng)36小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例6

1.將Ti₃AlC₂(0.1g)，KOH固體(0.35g)和水(0.05ml)攪拌均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝22.5；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)180℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例7

1.將V₃AlC₂(0.1g)，KOH固體(3.5g)和水(0.05ml)攪拌均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝0.04；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)180℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例8

1.將Ti₃SiC₂(0.1g)，KOH固體(0.35g)和水(135ml)攪拌均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝120；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)180℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例9

1.將Ta₃SiC₂(0.1g)和KOH固體(0.35g)空氣中研磨均勻；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)100℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例10

1.將V₄SiC₃(0.1g)，KOH固體(0.35g)和水(0.05ml)研磨均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝0.04；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)180℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例11

1.將Nb₄SiC₃(0.1g)，CsOH固體(0.35g)和水(0.05ml)研磨均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝0.04；

2.將研磨后的混合物置于水熱釜中，繼續(xù)180℃反應(yīng)24小時；

3.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例12

1.將Ti₃AlC₂(0.1g)，KOH固體(0.35g)和水(0.05ml)攪拌均勻，其中，H₂O/KOH摩爾比＝22.5；

2.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

實施例13

1.將Ti₃AlC₂(0.1g)和KOH固體(0.35g)研磨均勻；

2.將所得混合物用去離子水洗，即可得到單層分散的MXene膠體溶液。

以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。