二维MXene基材料的制备及应用研究
发布时间：2021-03-08 03:45
MXene是二维过渡金属碳化物、氮化物以及碳氮化物的统称,通常具有优良的导电性、柔韧性及能量存储性能。因此MXene已广泛应用于超级电容器、电池、光电催化等领域。但在大多数报道中为了提高性能都将MXene与其他材料复合。这会造成材料表征和机理分析变得更加复杂和困难,并且合成工艺繁复、制备周期长。本课题在充分研究MXene材料自身特性的基础上,通过简单、环保、低成本的制备工艺（如:溶剂热、超声、磁力搅拌等）调整其层间距、尺寸及表面基团等结构,从而调控了MXene的导电性、磁性和光学性质等性能,进而使单纯的MXene材料在电催化固氮、纳米酶催化、电磁波吸收等领域发挥更大的作用。通过减小MXene材料尺寸、控制表面基团种类制备了富含羟基的Ti3C2Tx MXene量子点用于常温常压下的电化学固氮:以Ti3C2Tx MXene纳米片为原料,通过碱化、插层和剪切制备的富含羟基的Ti3C2Tx MXen...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：123 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MAX相的结构和相应的MXenes结构（摘自参考文献[1]，版权所有2014Wiley）
青岛大学硕士学位论文4MXenes主要的制备工艺是通过对前驱体MAX相（Mn+1AXn）的A层进行选择性刻蚀，A通常是元素周期表中第12-16族中的元素（例如Cd，Al，Si等）[12]。MXene的结构如图1.1所示，X原子填充在M原子层的八面体位点之间构成Mn+1Xn层，而Mn+1Xn层与A原子层交错排列[1]。在前驱体MAX相中的M-X键具有共价/金属/离子特性的强键，而M-A键相对较弱，具有纯金属键性质[13,14]。因此，M-A键在高温下易被破坏，进而重结晶并形成三维的Mn+1Xn岩盐状结构[3,15]。而且由于MAX相中的M-X键是通过部分离子键结合在一起，从而使得M-X键难以通过物理方法（如机械剥离，超声处理或分散）进行分离[16,17]。因此，该过程制备的Mn+1XnTx材料具有高度稳定且紧密堆积的特点。迄今为止，因已经发现了三十多种MXenes材料，如图1.2（A）展示了用于构建MXene的元素周期表的元素，而图1.2（B）列出了迄今为止已发现的MXenes种类[5,18-21]。其中，钛基MXenes（例如Ti3C2Tx和Ti2CTx等）在各个领域中应用最为广泛[18,19,22-24]。此外由于其独特的分层结构和2D形态，可以轻松的与其他材料复合形成复合材料以增强其性能[25,26]。图1.2（A）MXenes材料中的M、X和Tx元素在元素周期表中的规律。深蓝色背景的元素是可以有选择地进行蚀刻以制造MXenes的过渡金属元素。浅蓝色背景是理论上以制造MXenes
青岛大学硕士学位论文5但现在还未实现的过渡金属元素。黄色背景上的元素代表常见的表面官能团包含的元素（摘自参考文献[11]，版权所有2019AmericanChemicalSociety）。（B）MAX相的结构和相应的MXenes（摘自参考文献[11]，版权所有2019AmericanChemicalSociety）。Figure1.2(A)ElementsusedtobuildMXenes.ThebrightblueelementsrepresentMXenesthathavenotbeenyetexperimentallyconfirmed.(B)Thistableincludesbothexperimentally(markedinblue)andtheoretically(markedingray)exploredcompositionsofMXenes.Surfaceterminationsarenotshown.1.2MXenes材料的制备图1.3制备MXenes材料的进展时间表（摘自参考文献[27]，版权所有2020ElsevierB.V.）。Figure3.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.据报道，到目前为止已通过实验获得了30多种MXene（见表格1.1），并且根据理论预测，还有更多未被发现[28,29]。如图1.3罗列了发现MXenes材料的进展的简要时间表。可以看到近几年MXenes材料的发展速度越来越迅速，并且可以从表格1.1和图1.3中看到制备MXenes材料的工艺流程也越来越丰富，逐渐从使用高毒性和高腐蚀性的HF溶液发展到通过熔融盐、高温碱溶液和电化学方法剥离等更丰富更绿色健康的方法和工艺。因此我们汇总并讨论了刻蚀前驱体MAX材料制备MXenes的不同方法以及不同制备工艺之间的优缺点。表格1.1制备MXenes材料的进展时间表（摘自参考文献[27]，版权所有2020ElsevierB.V.）。Table1.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.
本文编号：3070351
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：123 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MAX相的结构和相应的MXenes结构（摘自参考文献[1]，版权所有2014Wiley）
青岛大学硕士学位论文4MXenes主要的制备工艺是通过对前驱体MAX相（Mn+1AXn）的A层进行选择性刻蚀，A通常是元素周期表中第12-16族中的元素（例如Cd，Al，Si等）[12]。MXene的结构如图1.1所示，X原子填充在M原子层的八面体位点之间构成Mn+1Xn层，而Mn+1Xn层与A原子层交错排列[1]。在前驱体MAX相中的M-X键具有共价/金属/离子特性的强键，而M-A键相对较弱，具有纯金属键性质[13,14]。因此，M-A键在高温下易被破坏，进而重结晶并形成三维的Mn+1Xn岩盐状结构[3,15]。而且由于MAX相中的M-X键是通过部分离子键结合在一起，从而使得M-X键难以通过物理方法（如机械剥离，超声处理或分散）进行分离[16,17]。因此，该过程制备的Mn+1XnTx材料具有高度稳定且紧密堆积的特点。迄今为止，因已经发现了三十多种MXenes材料，如图1.2（A）展示了用于构建MXene的元素周期表的元素，而图1.2（B）列出了迄今为止已发现的MXenes种类[5,18-21]。其中，钛基MXenes（例如Ti3C2Tx和Ti2CTx等）在各个领域中应用最为广泛[18,19,22-24]。此外由于其独特的分层结构和2D形态，可以轻松的与其他材料复合形成复合材料以增强其性能[25,26]。图1.2（A）MXenes材料中的M、X和Tx元素在元素周期表中的规律。深蓝色背景的元素是可以有选择地进行蚀刻以制造MXenes的过渡金属元素。浅蓝色背景是理论上以制造MXenes
青岛大学硕士学位论文5但现在还未实现的过渡金属元素。黄色背景上的元素代表常见的表面官能团包含的元素（摘自参考文献[11]，版权所有2019AmericanChemicalSociety）。（B）MAX相的结构和相应的MXenes（摘自参考文献[11]，版权所有2019AmericanChemicalSociety）。Figure1.2(A)ElementsusedtobuildMXenes.ThebrightblueelementsrepresentMXenesthathavenotbeenyetexperimentallyconfirmed.(B)Thistableincludesbothexperimentally(markedinblue)andtheoretically(markedingray)exploredcompositionsofMXenes.Surfaceterminationsarenotshown.1.2MXenes材料的制备图1.3制备MXenes材料的进展时间表（摘自参考文献[27]，版权所有2020ElsevierB.V.）。Figure3.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.据报道，到目前为止已通过实验获得了30多种MXene（见表格1.1），并且根据理论预测，还有更多未被发现[28,29]。如图1.3罗列了发现MXenes材料的进展的简要时间表。可以看到近几年MXenes材料的发展速度越来越迅速，并且可以从表格1.1和图1.3中看到制备MXenes材料的工艺流程也越来越丰富，逐渐从使用高毒性和高腐蚀性的HF溶液发展到通过熔融盐、高温碱溶液和电化学方法剥离等更丰富更绿色健康的方法和工艺。因此我们汇总并讨论了刻蚀前驱体MAX材料制备MXenes的不同方法以及不同制备工艺之间的优缺点。表格1.1制备MXenes材料的进展时间表（摘自参考文献[27]，版权所有2020ElsevierB.V.）。Table1.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.
本文编号：3070351
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