【摘要】：自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái),超薄二維納米材料作為一種新興的材料得到了飛速的發(fā)展。二維過渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物(MXene)作為一種新發(fā)現(xiàn)的超薄二維納米材料,因其良好的導(dǎo)電性和親水性,被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、催化、光電領(lǐng)域。但是,到目前為止,MXene的合成過程始終是以酸性環(huán)境以及F離子作為核心并且以減小厚度方向的尺寸為主。本文針對(duì)酸性F離子的合成環(huán)境以及尺寸減小的局限性問題這兩個(gè)問題展開了相應(yīng)的研究,發(fā)明了有機(jī)堿刻蝕剝離二維MXene納米片的方法;在此基礎(chǔ)上,通過四甲基氫氧化銨(TMAOH)同步面內(nèi)切割以及層間插層多層MXene的作用,得到了單層、超小的MXene納米片。本文在整個(gè)研究過程中不僅發(fā)現(xiàn)了兩種新的功能化MXene納米片,而且拓展了MXene的合成思路。(1)通過使用低濃度的HF對(duì)Ti_3AlC_2晶體進(jìn)行表面去鈍化的活化處理,再向其中添加TMAOH進(jìn)行選擇性刻蝕和插層,輔以剪切力剝離,最終得到了Al(OH)_4~-修飾的Ti_3C_2納米片。這種具有Al(OH)_4~-表面修飾的Ti_3C_2納米片的橫向尺寸為0.5-1μm,厚度為1.6-2.0 nm,并且展現(xiàn)出超乎尋常的近紅外吸收能力,在808 nm處的質(zhì)量消光系數(shù)達(dá)到了29.1 Lg~(-1)cm~(-1),超過了傳統(tǒng)的光熱材料。(2)通過使用高濃度的HF對(duì)Ti_3AlC_2晶體進(jìn)行選擇性刻蝕,再向其中添加TMAOH進(jìn)行插層、面內(nèi)切割和超聲剝離,最終得到了超小Ti_3C_2納米片。這種超小Ti_3C_2納米片的橫向尺寸為2-8 nm,厚度為1.5-4 nm,展現(xiàn)出明亮且可調(diào)的光致熒光以及波長(zhǎng)依賴特性。更重要的是,它還保留了多層MXene(Ti_3C_2T_x)的本征結(jié)構(gòu)特征并且體現(xiàn)了極好的化學(xué)穩(wěn)定性。相比大尺寸的Ti_3C_2納米片,它的耐氧化能力更強(qiáng)。之后,本文又嘗試將這種合成方法應(yīng)用到其他MAX相中,成功合成出超小Nb_2C和Ti_2C納米片,所獲得的最終產(chǎn)物的橫向尺寸和原料MAX相的化學(xué)穩(wěn)定性息息相關(guān)。(3)在新發(fā)現(xiàn)的兩種Ti_3C_2納米片的基礎(chǔ)上,本文系統(tǒng)比較了它們與傳統(tǒng)合成方法得到的表面修飾有OH/F/O的Ti_3C_2納米片在氧化介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性的差異。研究表明,Ti_3C_2納米片表面的官能團(tuán)以及自身的尺寸大小都會(huì)對(duì)它的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響。其中,Al(OH)_4~-相比OH/F/O具有更好的抗氧化性;而單層的超小Ti_3C_2納米片對(duì)Ti_3C_2O_2到TiO_2的氧化反應(yīng)表現(xiàn)出不尋常的高穩(wěn)定性涉及到結(jié)構(gòu)重結(jié)晶,原子在較薄的納米片中擴(kuò)散更為困難。(4)本文對(duì)新獲得的兩種Ti_3C_2納米片進(jìn)行了光學(xué)性質(zhì)方面的表征,發(fā)現(xiàn)Ti_3C_2納米片的光學(xué)性質(zhì)與其表面官能團(tuán)的組成以及尺寸息息相關(guān)。Al(OH)_4~-修飾的Ti_3C_2納米片展示了超乎尋常的近紅外吸收能力,它在808 nm處的質(zhì)量消光系數(shù)達(dá)到了29.1 Lg~(-1)cm~(-1),可以作為一種非常有潛力的光熱治療材料。超小Ti_3C_2納米片因?yàn)槌叽缧?yīng)的影響展示了強(qiáng)烈的紫外吸收以及激發(fā)波長(zhǎng)依賴特性的光致熒光行為。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1
【圖文】：

圖 1.3. a) 塊狀六方氮化硼晶體的微觀形貌[8]；b) 單層六方氮化硼的晶體結(jié)構(gòu)[1]Figure 1.3. a) Typical SEM image of bulk h-BN[8]; b) Crystal structures of h-BN[1]1.1.3 過渡金屬硫族化合物(TMDs)過渡金屬硫族化合物是一種典型的層狀材料，但是它的結(jié)構(gòu)不同于之前的石墨烯以及 h-BN。它的單層(MX2)是由三層原子層組成的一種類似三明治形式的結(jié)構(gòu)，上下兩個(gè)外層是硫族元素 X(如 S，Se，Te)，過渡金屬原子 M(IV-VI 族過渡金屬，如 Ti，V，Zr，Nb，Mo，Hf，Ta，W 等)則夾在兩個(gè)硫族原子層之間，這些層內(nèi)原子通過強(qiáng)的化學(xué)鍵相連。而單層(MX2)與單層(MX2)之間則是通過范德華力相連，弱的范德華力導(dǎo)致過渡金屬硫族化合物存在剝離的可行性。值得注意的是，即使過渡金屬硫族化合物的組成元素以及相應(yīng)的原子比例是相同的，或者說(shuō)化學(xué)式相同，但是它們依然可以形成不同的晶體結(jié)構(gòu)[9]。

圖 1.7. 關(guān)于 MXene 的文獻(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)。資料來(lái)源：Web of Science。搜索索引：[主題=MXene 能源或 MXene 或 Ti3C2或 Ti3C2能源][18]Figure 1.7. Publication trends in MXene. Source: Web of Science. Search index: [topic=MXene energyor MXene or Ti3C2or Ti3C2energy][18]1.2.3 MXene 的種類和結(jié)構(gòu)從 MXene 的發(fā)現(xiàn)過程可知，MXene 的結(jié)構(gòu)和其前驅(qū)體 MAX 的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。到目前為止，已經(jīng)有超過 60 種的 MAX 被發(fā)現(xiàn)，常見的有 Ti2AlC，Nb2AlC，Cr2AlC，V2AlC，Ti2SC，Ti2AlN，Ti3AlC2，Ti3SiC2以及 Ti4AlN3，以及部分固溶體型的結(jié)構(gòu)，無(wú)論是 M，A 以及 X 都存在固溶體型，如(Ti0.5，Nb0.5)2AlC，Ti3(Al0.5，Si0.5)C2, Ti2Al(C0.5，N0.5)以及部分與通用結(jié)構(gòu)式存在一定差異的材料，如 Mo2Ca2C 等。這些已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的 MAX 相都展示了六方的晶體結(jié)構(gòu)(空間點(diǎn)群：P63/mmc)，它的最外層為過渡金屬

MAOH 與 Ti3AlC2粉末混合后發(fā)生反age of the Ti3AlC2crystals on contactin看出，當(dāng) TMAOH 直接滴加到明顯的觀察到 Ti3AlC2粉末的表面態(tài)過程。而且氣泡的生成的速率上都出現(xiàn)了密集的氣泡，而且還以直接和 Ti3AlC2反應(yīng)，并且產(chǎn)生屬 Al 和堿發(fā)生氧化還原反應(yīng)，會(huì)所示：Al(OH)4]-+3H2↑ Ti3AlC2粉末發(fā)生了劇烈的產(chǎn)生粉末和 5 ml TMAOH (25 wt%)直，離心時(shí)間 3 min)洗去未反應(yīng)的

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 雷進(jìn)程;張旭;周震;;Recent advances in MXene: Preparation, properties,and applications[J];Frontiers of Physics;2015年03期

2 李正陽(yáng);周愛國(guó);王李波;孫丹丹;;二維晶體MXene的制備與性能研究進(jìn)展[J];硅酸鹽通報(bào);2013年08期

本文編號(hào)：2751097