一種磺化二維碳化鈦納米片的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料的制備技術領域，涉及一種功能化二維材料的方法，具體涉及一種磺化二維碳化鈦納米片的制備方法。
【背景技術】
[0002]MXene是一種新型二維過渡金屬碳化物或碳氮化物，化學式為Mn+1Xn，M代表早期過渡金屬，X代表碳或氮，η = 1、2、3。這種二維材料是從一類三元層狀化合物MAX相中剝離出A原子層而得到的，因其具有與石墨烯(Granphene)類似的二維結構而被命名為MXene0自2011年美國Drexel大學Barsoum等人首先利用氫氟酸從典型的三元層狀碳化物Ti3AlC2中化學剝離出Al原子層而得到新型二維片狀碳化鈦以來(Michael Naguib etal.， Two-dimens1nal nanocrystals produced by exfoliat1n of Ti3AlC2, AdvancedMaterials，2011，23 (37):4248-4253)，MXene材料已在多個技術領域得到了廣泛地應用，例如催化、水處理、儲能裝置、超級電容器和鋰離子電池以及復合材料等(S.Garai，et al.，Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane， Nature，2010，467(7312):190-192 ；Maria R.Lukatskaya et al.，Cat1n intercalat1n and high volumetriccapacitance of two-dimens1nal titanium carbide， Science，2013，341(6153):1502-1505)。二維MXene經化學方法合成以后，因納米粒子表面能較高，熱力學上傾向于聚焦，在溶液中容易團聚、沉淀，這極大地影響了這種新型二維材料優(yōu)良性能的充分發(fā)揮。對MXene納米片表面進行功能化可以改善材料的分散性和溶解性，但又不影響其自身的二維屬性。由于磺酸基團的高親水性，對MXene進行磺化處理后，不僅可以提高其分散性，還可以保留其獨特的性質。同時，二維MXene層片之間因范德華結合力較大，即使經高強度長時間的超聲處理也很難得到單層或少層的二維納米片，在二維納米片表面連接或層間插入含磺酸官能團的高反應活性分子后，經弱超聲后即可得到單層或少層二維MXene納米片。目前，對于二維磺化碳化鈦納米片的制備還未見報道。

【發(fā)明內容】

[0003]發(fā)明目的:針對二維MXene容易團聚、沉淀以及很難得到單層或少層納米片的技術缺陷，本發(fā)明提供一種高分散性、大尺寸、高質量的磺化二維碳化鈦納米片的制備方法。
[0004]技術方案:為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提供一種磺化二維碳化鈦納米片的制備方法，包括如下步驟:
[0005](I)利用氫氟酸化學剝離層狀碳鋁化鈦中的鋁原子層制備得到二維碳化鈦沉淀；
[0006](2)將步驟⑴中得到的二維碳化鈦沉淀重新分散在水中，得到二維碳化鈦懸浮液；
[0007](3)將對氨基苯磺酸和亞硝酸鈉溶解于鹽酸溶液中，在冰浴條件反應得到對氨基苯磺酸重氮鹽溶液；
[0008](4)將步驟(3)得到的對氨基苯磺酸重氮鹽溶液加入到步驟(2)得到的二維碳化鈦懸浮液中，在冰浴條件下磁力攪拌反應一定時間，使二維碳化鈦與對氨基苯磺酸重氮鹽發(fā)生磺化反應，得到磺化二維碳化鈦溶液；
[0009](5)將步驟(4)得到的磺化二維碳化鈦溶液離心分離沉淀后，用去離子水水洗至溶液PH為5?6，然后用微孔濾膜過濾后重新分散于水中得磺化二維碳化鈦分散液，經超聲后得單層或少層磺化二維碳化鈦分散液，再經冷凍干燥后得二維磺化碳化鈦粉末。
[0010]優(yōu)選地，步驟(I)中，所述的碳鋁化鈦與氫氟酸的反應條件為:氫氟酸的濃度為10?50wt%，于25?60°C下在1500?2000轉/分鐘的攪拌速度下攪拌反應2?8h，然后將反應液經過濾、反復水洗至pH為中性后離心得到二維碳化鈦沉淀。
[0011]步驟(2)中，所述的二維碳化鈦粉末在水中的濃度為0.01?0.05克/毫升.
[0012]優(yōu)選地，步驟(3)中，對氨基苯磺酸、亞硝酸鈉和鹽酸溶液的質量比為40?50: 8?12: 10?15，其中，所述的鹽酸溶液優(yōu)選地為37wt%&鹽酸。
[0013]步驟(4)中，二維碳化鈦懸浮液與對氨基苯磺酸重氮鹽溶液的體積比為1:1?5。
[0014]步驟(4)中，所述二維碳化鈦與對氨基苯磺酸重氮鹽發(fā)生磺化反應的時間為2?6h0
[0015]步驟(5)中，二維磺化碳化鈦分散液的超聲時間為I?4小時。
[0016]利用上述制備方法得到的磺化二維碳化鈦納米片也在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0017]有益效果:本發(fā)明針對二維MXene容易團聚、沉淀以及很難得到單層或少層納米片的技術缺陷，提供了一種制備磺化二維MXene納米片的方法，以典型三元層狀過渡金屬碳化物或碳氮化物Ti3AlC2S原料，利用氫氟酸化學剝離Ti 3A1C2中的Al原子層后得到二維Ti3C2納米片，通過對氨基苯磺酸重氮鹽溶液與Ti 3C2納米片發(fā)生磺化反應，制備高分散性、大尺寸、高質量的單層或少層磺化二維碳化鈦納米片。該制備方法具有生產成本低、原材料易得、制備過程簡單可控等特點。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實施例1得到的磺化二維碳化鈦的掃描電鏡圖片；
[0019]圖2為本發(fā)明實施例1得到的磺化二維碳化鈦的透射電鏡圖片；
[0020]圖3為本發(fā)明實施例1得到的磺化二維碳化鈦磺化前后的紅外光譜圖。
【具體實施方式】
[0021]為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內容，但本發(fā)明的內容不僅僅局限于下面的實施例。在下述各個實施例中，采用常規(guī)的方法制備對氨基苯磺酸重氮鹽溶液，即將對氨基苯磺酸和亞硝酸鈉溶解于鹽酸溶液中，在冰浴條件反應得到，其中，對氨基苯磺酸、亞硝酸鈉和鹽酸溶液(37wt濃鹽酸)的質量比為40?50: 8?12: 10 ?15。
[0022]實施例1磺化二維碳化鈦納米片的制備。
[0023](I)將0.1克的Ti3AlC2粉末于25 °C下浸泡到20mL 50wt %的HF水溶液中，以1500r/min的轉速磁力攪拌反應8小時，得到懸浮液；將得到的懸浮液經過濾、反復水洗至PH值為中性后再以6000轉/分離心10分鐘后得到二維碳化鈦的沉淀；
[0024](2)將上述沉淀產物重新分散于1ml水中后超聲30分鐘，在冰浴條件下滴加1ml對氨基苯磺酸重氮鹽溶液，磁力攪拌下反應2h，此為磺化過程，得到磺化二維碳化鈦溶液；
[0025](3)將上述磺化二維碳化鈦溶液以4000轉/分離心10分鐘分離沉淀，反復水洗至pH = 5?6后，用0.22微米孔徑微孔濾膜過濾，重新分散于水中后超聲2h后即得單層或少層磺化二維碳化鈦分散液，經觀察發(fā)現(xiàn)，該分散液靜置后無沉淀出現(xiàn)，證明其具有較好的分散性。得到的產品經冷凍干燥24h后得單層或少層磺化二維碳化鈦納米片粉末。圖1為實施例1得到的磺化二維碳化鈦的掃描電鏡圖片，從圖中可以看出，經磺化后的產物仍保留其片狀特征。圖2為得到