二维导电纳米复合材料的制备及其性能研究

发布时间：2021-03-21 22:14

　　新型二维纳米材料（石墨烯和MXenes）具有由尺寸效应带来的优异物化性能,目前已在众多领域展现出广阔应用前景。为有效利用石墨烯和MXenes本身纳米尺度上优异性能以满足相关领域具体使用要求,利用逐渐兴起的组装技术,将微观尺寸的纳米片层组装成具有宏观尺寸的功能结构（如一维纤维、二维薄膜、三维气凝胶）无疑是一种最为有效的方法。通过对二维纳米材料组装体进行合理的结构设计和形貌调控,不仅能够更好地利用纳米材料本身优异的电学、光学和力学等性能,而且还能开发材料新的功能特性并拓展其应用范围,因此,研究二维纳米材料的组装策略并以此制备宏观功能材料对实现二维纳米材料实际应用具有重要意义。本论文针对MXenes和石墨烯宏观组装体制备和使用时仍存在的难点和性能缺陷,如石墨烯薄膜在作为电磁屏蔽材料时屏蔽机制单一、MXenes材料在潮湿环境中易降解、MXenes二维宏观薄膜导电与力学性能难以兼顾以及MXenes三维宏观组装结构难以形成等问题,通过提出新的结构设计思路和组装策略,设计出轻质磁性多孔石墨烯二维薄膜、高强高导电二维MXene薄膜、低密度疏水二维MXene泡沫薄膜以及低密度、超弹性MXene三维气凝胶... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：164 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－１典型超薄二维纳米材料示意图，包括：石墨烯、氮化硼、金属有机骨架化合物、共价有机??骨架化合物、过渡金属硫化ｔ）、过度金属碳／氮化合物、层状双氢氧化物、氧化物、金属以及黑??

过渡金属碳／氮化合物，ＭＸｅｎｅｓ，是一种具有多原子层厚度的二维纳米材料，最??早由Ｂａｒｓｏｕｍ等人提出，至２０１１由Ｙｕｒｙ课题组详细报导制备工艺和结构组成［１（），１１］。??ＭＸｅｎｅｓ可由选择性刻蚀ＭＡＸ相中Ａ原子层再经过插层和超声辅助剥离得到（图１－??２）。ＭＡＸ相是一种层状导电陶瓷，其结构与石墨类似，但与石墨单一元素构成不同，??ＭＡＸ由含有不同元素的原子层构成并含有更为丰富的键合作用，一般被命名为??Ｍｎ＋１ＡＸｎ，其中，Ｍ为早期过渡金属（包括钛，钒，铬等），Ａ是ＩＩＩＡ或ＩＶＡ族中的??元素（包括铝，硅，镓等），Ｘ为碳原子或氮原子，ｎ通常为１，２或３［１２］。至今，己??有七十多种ＭＡＸ相材料被报导〃３］。而如果进一步在ＭＡＸ中的Ｍ位置引入双过渡金??属、Ａ位置引入双元素组合或者Ｘ位置引入碳氮元素组合，则可以合成出更多种类的??ＭＡＸ相材料，进一步丰富可获得的且具有不同性能特征的ＭＸｅｎｅ种类，赋予该材料??更大的应用范围和潜力。总的来说，ＭＡＸ相的结构可被看成早期过度金属碳／氮化合??物层与Ａ元素层被粘接而成。Ｍ层和Ｘ层之间包含了共价键、金属键和离子键作用

利用Ｍ－Ａ之间较弱键能的特点，在最大程度保留Ｍ－Ｘ层的情况下，选择性将Ａ层刻??蚀，之后再通过超声作用实现彻底剥离。因此，制备ＭＸｅｎｅ主要分为两个过程，刻蚀??和剥离（图１－３）。??ＭＡＸ?ｐｈａｓｅｓ?ａｒｅ?ｌａｙｅｒｅｄ?ｔｅｒｎａｒｙ??ｃａｒｂｉｄｅｓ，?ｎｉｔｒｉｄｅｓ，?ａｎｄ?ｃａｒｂｏｎｒｔｒｉｄｅｓ??ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ?ｏｆ?ａｎｄ?＾?ｌａｙｅｒｓ??Ｕ■■丨丨卿１＿４?，ｒｅａ＾ｅｎｔ?，??ｐｈａｓｅ??＜／｝＾ｘ?Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ＨＦ?ｅｔｃｈｉｎｇ?ｏｎｌｙ?ｏｆ?ｔｈｅ??ｆｒｏｍ?ｔｈ？?ＭＡＸ?ｐｈａｓｅ??Ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ?ｓｅｐａｒａｔｅｄ?２－Ｄ??ＭＸｅｎｅ?ｓｈｅｅｔｓ?ａｆｔｅｒ?ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ??／Ｗｆｅ＂ｅ?ｓｈｅｅｔｓ????????图１－３?ＭＸｅｎｅ由ＭＡＸ相剥离得到过程示意图Ｗｌ。??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ＭＡＸ?ｐｈａｓｅｓ?ａｎｄ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＭＸｅｎｅｓ［１１ｌ??在这里，以Ｔｉ３Ｃ２Ｔｘ的制备为例来讲述ＭＸｅｎｅ材料的制备。初期研宄人员采用的??刻蚀过程一般为如下步骤：先将ＭＡＸ相材料Ｔｉ３ＡｌＣ２加入ＨＦ溶液中，搅拌下经过反??应后，反复水洗产物直至体系变为中性。此时，由于Ａ相被去除，ＭＡＸ相转变为具??有“手风琴结构”的由许多Ｍ－Ｘ层堆叠而成的多层ＭＸｅｎｅ，之后经过超声处理可少量??获得ＭＸｅｎｅ片［１（）］。此时

【参考文献】：
期刊论文
[1]Three-dimensional graphene networks: synthesis,properties and applications[J]. Yanfeng Ma,Yongsheng Chen.  National Science Review. 2015(01)



本文编号：3093635