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一种二维过渡金属碳氮化物分散液及其制备方法和应用


技术摘要:
本发明公开了一种二维过渡金属碳氮化物分散液及其制备方法和应用,属于二维材料技术领域。本发明二维金属碳氮化物分散液在保存180天之后,吸光度可维持95%;且电导率也仍可维持90%以上。本发明分散液可长时间保存、具有较长的货架寿命,有利于拓展MXene在科研领域及  全部
背景技术:
二维过渡金属碳氮化物(MXene)是一种从层状陶瓷材料MAX相去除A原子层而得到 的新型二维材料,只有1nm左右的厚度,但是具有优异的电导率和水分散性,在超级电容器、 锂离子电池、导电涂料、电磁屏蔽、电催化及吸附等领域均具有优异的应用前景,被称为水 性石墨烯,是继石墨烯之后的发展最快种类最多的二维材料。 目前报道应用最广泛的是钛系金属碳化物材料,比如由Ti3AlC2刻蚀制备的Ti3C2Ts 材料以及Ti2AlC刻蚀制备的Ti2CTs。前者是目前研究最为广泛,应用最多的MXene材料,其电 导率可以达到15000S/cm,另外其电容可以达到1000F/cm3或以上,在超级电容、锂离子电 池、导电涂料、电磁屏蔽等领域都受到了广泛关注。在制备过程中,大多数MXene往往通过刻 蚀和插层得到分散于水中的少层分散液。在应用过程中,无论是作为电极材料、导电涂料或 者电磁屏蔽材料,也均需将其分散在溶剂中,最常用的是将其分散在水中。但是目前分散在 水中的钛系、钒系、铌系MXene存在容易变质的问题,其中变质最快的是Ti2CTs,其水分散液 置于室温一天之后,大部分Ti2CTs均被变质,并逐渐形成无色的透明溶液。Ti3C2Ts水分散液 变质相对较慢,但是通常也在两周内发生明显的变质,颜色变淡,室温一个月颜色变淡非常 明显,电导率也随之剧烈下降,进而其电容性能、电磁屏蔽性能等都受到影响。 另外,MXene在应用过程中,往往是以分散液的形式进行抽滤得到薄膜或者以分散 液的形式添加到其他材料中,因而制备稳定的分散液具有非常重要的实用价值。2019年,文 献(Inorg .Chem .2019 ,58 ,3 ,1958–1966)对比了水分散的钛烯MXene分散液和醇分散的 MXene的稳定性,发现水在MXene的变质分解过程中起到非常重要的作用,发现其分解过程 实际上是水解过程。然而醇分散的Ti3C2Ts虽然一定程度可抑制变质,但是长时间保存后,尤 其是三个月或者以上,也具较为明显的变质分解和性能下降。较短的货架寿命严重影响了 MXene在科研领域及工业领域的应用。因此,开发长周期稳定的MXene分散液具有重要的理 论和实际意义,能够较大地推动MXene领域研究的发展及工业应用的开拓。
技术实现要素:
为了解决上述问题,本发明经过不断探索,特定使用适量的抗氧剂,在醇介质中, 配合二维过渡金属碳氮化物实现高稳定、耐存储的分散液产品,并可有效得到相应的薄膜 产品,可广泛应用于超级电容器、锂离子电池、导电涂料、电磁屏蔽、电催化及吸附等领域。 本发明的第一个目的是提供一种二维过渡金属碳氮化物(碳和/或氮,MXene)分散 液,所述的分散液是将二维金属碳氮化物、抗氧剂分散于醇溶液中;其中,二维过渡金属碳 氮化物的分子式为Mn 1XnTs;其中,M为过渡金属,X为碳和/或氮,Ts为表面端基,包含羟基、 氟、氧、氢、烷基、铵基或其组合;所述抗氧剂在醇溶液中的质量浓度为0.2mg/g-100mg/g。 3 CN 111573675 A 说 明 书 2/5 页 在本发明的一种实施方式中,所述抗氧剂包括酚或酚衍生物或受阻酚类抗氧剂; 其中酚衍生物类抗氧剂包括苯酚、萘酚、有取代基的苯酚或者萘酚类抗氧剂。 在本发明的一种实施方式中,所述受阻酚抗氧剂为具有空间受阻结构的酚类化合 物,包含但不限于2,6-二叔丁基对甲酚(商品名BHT)、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙 酸]季戊四醇酯(商品名抗氧剂1010)、β-(3 ,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯 (商品名抗氧剂1076)、N,N’-双[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰]肼(商品名抗氧剂 1024)。 在本发明的一种实施方式中,所述的抗氧剂的用量优选为0.2mg/g-10mg/g;进一 步优选1-3mg/g。 在本发明的一种实施方式中,所述的醇为八个碳或者八个碳以下的醇,包括但不 限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、戊醇、异戊醇、己醇、庚醇、辛醇。 在本发明的一种实施方式中,优选地采用无水乙醇或者丙醇对干燥的MXene进行 分散;或者通过溶剂置换的方式,将水分散的MXene置换为醇分散的MXene。 在本发明的一种实施方式中,所述二维金属碳化物中的过渡金属包括Ti、V、Cr、 Sc、Zr、Nb、Mo、Hf或Ta中的至少一种。 在本发明的一种实施方式中,所述的二维金属碳化物包括但不限于Ti3C2Ts、 Ti2CTs、V2CTs、Ti3CNTs、Nb2CTs、以及TiyNb2-yTs(0
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