PDF《Material: Mxene》

437 Ωsq?1 ),化学组成可调等优势[8].理论预测这类 材料具有高弹性模量及高载流子迁移率,在导电材料及功能增强复合材料等方面有良好的应用前景[4]. 尽量 MXenes 在光学、电学、生物学和化学领域表现了潜在的应用价值[9] [10] [11],然而成功合成、剥 离单层 MXenes 纳米片仍然存在很多挑战,阻碍它的大量生产研究.目前已知 MXene 的合成方法主要有 三种,溶液法(HF 和HCl+LiF 刻蚀法) [12]、高温氟化物熔融法[13]、自下而上合成法[14].高温氟化物熔 融法是将 MAX 相与含氟的金属盐混合后,通入惰性气体,高温加热反应生成 MXenes.自下而上合成法 主要是利用化学气相沉积(CVD)来生成大面积的连续的MXenes 薄膜. 这两种方法与 HF 刻蚀MAX 相比, 都有一定的缺陷,如成本高、实用性低以及合成工艺不成熟等.本文将重点阐述 HF 选择性腐蚀 Ti3AlC2 相这种方法,借用扫描透射电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)具体讨论分析其合成 Ti3C2Tx (Ti3C2Tx 是合成技术较成熟、应用最广泛的一种 MXenes 机制以及影响因素. 2. 实验 2.1. 试剂

40 wt%和49 wt%氢氟酸(HF)购买于上海阿拉丁生化科技股份有限公司.Ti3AlC2 粉末购买于北京智 Open Access 马亚楠 等465 慧有限公司. 2.2. 实验过程 2.2.1. 预处理 Ti3AlC2 粉末 将直接买来的 Ti3AlC2 粉末球磨

18 h, 后将混合好的粉料装入氧化铝坩埚中, 然后将坩埚放在管式炉 中抽真空后,通入氩气作为保护气氛,以10 ℃/min 的速率升到 1400℃,保温

2 h,自然冷却到室温. 2.2.2. Ti3C2Tx 的合成过程 1) 将处理 Ti3AlC2 粉末经研磨后过300 目筛子. 取1.0 g 研磨好的 Ti3AlC2 粉末慢慢加入到 12.5 ml 40% 的HF 溶液,在室温下磁力搅拌下反应.注意为保证实验的安全性,整个反应需要在通风橱中进行.分 别在

20 h,

40 h,

60 h 取反应液, 进行离心清洗至 pH 到达中性后, 放入真空干燥箱中在 60℃下干燥

24 h, 取出备用. 2) 取1.0 g 筛好的 Ti3AlC2 (商业获取)粉末慢慢加入到

10 ml 50%的HF 溶液,在50℃下磁力搅拌下 反应

24 h.然后将得到的混合液进行离心清洗 5~6 次至 pH 到达中性后,放入真空干燥箱中在 60℃下干 燥24 h,取出备用. 2.3. 分析表征 扫描电子显微镜(Nova NanoSEM 450)、球差校正透射电子显微(Tecnai G2

20 U-TWIN)和X射线衍射 仪(PAN alytical B.V.X'

Pert PRO)来表征材料的形貌和结构. 3. 结果和讨论 将Ti3AlC2 加入到 HF 溶液中的过程中,会有大量的气泡产生,发生的化学反应如下:

3 2

3 2

3 2 Ti AlC 3HF AlF

3 2H Ti C 1) ( )

3 2

2 3

2 2

2 Ti C 2H O Ti C OH H + = + (2)

3 2

3 2

2 2 Ti C 2HF Ti C F H + = + (3) 利用 Hummer 方法制备石墨烯, 只需要克服石墨层与层之间的范德华力, 然而 HF 腐蚀 MAX 要克服 M-A 之间的较强的化学作用力.反应开始时,HF 电离的 H+ 和F+ 进攻 Ti3AlC2 分子边缘的 Ti 原子.当H+ 和F+ 连接到 Ti 原子表面后,Ti-Al 键的键长分别会增加约 2%和0.6%,Ti-Al 键的强度相应地会减小. 随着越来越多的 H+ 和F+ 与Ti3AlC2 分子发生化学作用后,Ti-Al 键的键长会进一步增加到原长的 147%, 易于 HF 反应生成 AlF3 分子, 从而成功刻蚀掉 Al 原子[15]. 在整个反应的过程中, H+ 也起着关键的作用, H+ 与Ti 原子反应生成的中间产物提供活性位点,加速整个反应的进行. 接下来,我们将从 HF 的........