MXene復(fù)合物的合成及其在微波吸收中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2021-01-21 15:06
電磁波干擾和輻射已經(jīng)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,對(duì)電磁兼容、人體健康和正常通訊的危害極大。多年來(lái),研究人員已運(yùn)用多種二維材料用于制備寬頻、高效、輕質(zhì)的吸波材料來(lái)解決這一問(wèn)題。其中Ti3C2Tx MXene這一類(lèi)材料因其二維特征、高介電損耗、豐富的表面官能團(tuán)等在吸波方面的應(yīng)用上潛力巨大。囿于Ti3C2Tx用作吸波材料時(shí)磁損耗不足以及吸收頻帶窄等缺點(diǎn),該材料在實(shí)際市場(chǎng)推廣上,還有很長(zhǎng)的路要走。本論文針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及吸波機(jī)理研究。通過(guò)設(shè)計(jì)三明治結(jié)構(gòu)的CoFe@Ti3C2Tx復(fù)合物用于電磁波吸收,以改善Ti3C2Tx磁損耗不足以及吸收頻帶窄的缺點(diǎn)。經(jīng)DMF插層、水合肼原位還原磁性CoFe片用于修飾Ti3C2Tx等步驟,獲得的CoFe@Ti3
【文章來(lái)源】：青島大學(xué)山東省
【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
電磁波在吸波材料內(nèi)部的傳輸路徑
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.2目前組成MAX相的元素在元素周期表中的具體分布。(摘自參考文獻(xiàn)[9]，版權(quán)2018Elsevier)Figure1.2CurrentdistributionoftheelementsthatmakeuptheMAXphaseintheperiodictable.(Reference[9],copyright2018Elsevier)1.2.1MXene的制備方法實(shí)驗(yàn)中常通過(guò)高溫煅燒制備MAX相材料(其中A代指Al、Si、Ga、Ge等IIB、IIIA、IVA、VA、VIA元素)，以MAX相為母體，通過(guò)酸、堿、有機(jī)溶劑等刻蝕掉MAX中的A相，制備出手風(fēng)琴狀的MXene材料。1.2.1.1HF酸刻蝕法Yurygogotsi團(tuán)隊(duì)在2011年首次在室溫下通過(guò)HF刻蝕Ti3AlC2制備出Ti3C2Tx，其制備示意圖如圖1.3所示。當(dāng)Ti3AlC2分散在HF酸中時(shí)，發(fā)生的反下：Ti3AlC2+3HF=AlF3+3/2H2+Ti3C2公式1-(8)Ti3C2+2H2O=Ti3C2(OH)2+H2公式1-(9)Ti3C2+2HF=Ti3C2F2+H2公式1-(10)Ti3AlC2會(huì)與HF酸反應(yīng)生成Ti3C2，而暴露在外的Ti原子易與水和/或HF繼續(xù)反應(yīng)，使得生成的Ti3C2的表面帶有—OH，—F，—O—等官能團(tuán)，產(chǎn)物表示為T(mén)i3C2Tx。因?yàn)镸-A鍵能的不同，從不同的MAX前驅(qū)體制備相應(yīng)的MXene,需要進(jìn)行刻蝕處理的時(shí)間以及溫度也不同。另外HF酸的濃度太低會(huì)降低溶液的刻蝕能力，使得MAX中的A相反應(yīng)不完全，進(jìn)而獲得比表面積小的MXene產(chǎn)物[22,23]。在低濃度的HF酸中，產(chǎn)物與H2O的反應(yīng)的可能性會(huì)增加，表面生成更多不穩(wěn)定的-OH官能團(tuán)，且容易進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成-O-，使得MXene表面的含氧官能團(tuán)的比例提高[24]。雖然當(dāng)前已經(jīng)
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖1.3Ti3AlC2剝離過(guò)程的示意圖。(a)Ti3AlC2的結(jié)構(gòu)，(b)與HF反應(yīng)后，Al原子被OH取代，(c)在甲醇中超聲處理后，氫鍵斷裂，納米片分離。(摘自參考文獻(xiàn)[21]，版權(quán)2011Wiley-VCH)Figure1.3SchematicdiagramoftheTi3AlC2strippingprocess.(a)ThestructureofTi3AlC2,(b)AlatomswerereplacedbyOHafterreactionwithHF,(c)afterultrasonictreatmentinmethanol,thehydrogenbondswerebrokenandthenanosheetswereseparated.(Reference[21],copyright2011Wiley-VCH)有許多方法被用來(lái)制備MXene，但通過(guò)HF刻蝕掉MAX中的A相，以此獲得手風(fēng)琴狀或者單層結(jié)構(gòu)仍然是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)制備MXene的主要方法。1.2.1.2氟化物鹽刻蝕法除了直接用HF酸刻蝕之外，通過(guò)氟化鹽和鹽酸原位生成HF酸，也是制備MXene的重要方法。MichaelGhidiu團(tuán)隊(duì)在2014年首次通過(guò)混合氟化鋰(LiF)和鹽酸(HCl)[25]，原位生成HF酸，刻蝕Ti3AlC2中的Al相制備Ti3C2Tx。實(shí)驗(yàn)中制備的親水材料在水合之后體積膨脹，并且可以像粘土一樣成型并干燥成具有高導(dǎo)電性的固體，或卷曲成幾十微米厚薄膜。該實(shí)驗(yàn)為薄膜生產(chǎn)提供了一條更快的途徑，避免了處理危險(xiǎn)的濃氫氟酸，同時(shí)由于Li+的插層，使得Ti3C2Tx的層間距增大。相較于HF刻蝕，LiF與HCl溶液的混合處理方法更為溫和、生產(chǎn)率更高。制備的MXene的單片橫向尺寸更大、缺陷更少。LiF與HCl溶液的混合模式還能夠用于刻蝕其他MAX相，例如Nb2AlC和Ti2AlC等[26,27]。另外LiF也可用其他氟化物替代，例如CaF2、KF、NaF、CsF等，HCl溶液也可用H2SO4替代[28]。但需要注意到，不同氟化物與不同酸溶液之間的結(jié)合對(duì)刻蝕反應(yīng)的微調(diào)，將使制備的MXene材料在成分以及性質(zhì)上具有潛在優(yōu)勢(shì)。比如，我們可以通過(guò)選擇?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Recent advances in MXene: Preparation, properties,and applications[J]. 雷進(jìn)程,張旭,周震. Frontiers of Physics. 2015(03)
本文編號(hào)：2991385
【文章來(lái)源】：青島大學(xué)山東省
【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
電磁波在吸波材料內(nèi)部的傳輸路徑
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.2目前組成MAX相的元素在元素周期表中的具體分布。(摘自參考文獻(xiàn)[9]，版權(quán)2018Elsevier)Figure1.2CurrentdistributionoftheelementsthatmakeuptheMAXphaseintheperiodictable.(Reference[9],copyright2018Elsevier)1.2.1MXene的制備方法實(shí)驗(yàn)中常通過(guò)高溫煅燒制備MAX相材料(其中A代指Al、Si、Ga、Ge等IIB、IIIA、IVA、VA、VIA元素)，以MAX相為母體，通過(guò)酸、堿、有機(jī)溶劑等刻蝕掉MAX中的A相，制備出手風(fēng)琴狀的MXene材料。1.2.1.1HF酸刻蝕法Yurygogotsi團(tuán)隊(duì)在2011年首次在室溫下通過(guò)HF刻蝕Ti3AlC2制備出Ti3C2Tx，其制備示意圖如圖1.3所示。當(dāng)Ti3AlC2分散在HF酸中時(shí)，發(fā)生的反下：Ti3AlC2+3HF=AlF3+3/2H2+Ti3C2公式1-(8)Ti3C2+2H2O=Ti3C2(OH)2+H2公式1-(9)Ti3C2+2HF=Ti3C2F2+H2公式1-(10)Ti3AlC2會(huì)與HF酸反應(yīng)生成Ti3C2，而暴露在外的Ti原子易與水和/或HF繼續(xù)反應(yīng)，使得生成的Ti3C2的表面帶有—OH，—F，—O—等官能團(tuán)，產(chǎn)物表示為T(mén)i3C2Tx。因?yàn)镸-A鍵能的不同，從不同的MAX前驅(qū)體制備相應(yīng)的MXene,需要進(jìn)行刻蝕處理的時(shí)間以及溫度也不同。另外HF酸的濃度太低會(huì)降低溶液的刻蝕能力，使得MAX中的A相反應(yīng)不完全，進(jìn)而獲得比表面積小的MXene產(chǎn)物[22,23]。在低濃度的HF酸中，產(chǎn)物與H2O的反應(yīng)的可能性會(huì)增加，表面生成更多不穩(wěn)定的-OH官能團(tuán)，且容易進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成-O-，使得MXene表面的含氧官能團(tuán)的比例提高[24]。雖然當(dāng)前已經(jīng)
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖1.3Ti3AlC2剝離過(guò)程的示意圖。(a)Ti3AlC2的結(jié)構(gòu)，(b)與HF反應(yīng)后，Al原子被OH取代，(c)在甲醇中超聲處理后，氫鍵斷裂，納米片分離。(摘自參考文獻(xiàn)[21]，版權(quán)2011Wiley-VCH)Figure1.3SchematicdiagramoftheTi3AlC2strippingprocess.(a)ThestructureofTi3AlC2,(b)AlatomswerereplacedbyOHafterreactionwithHF,(c)afterultrasonictreatmentinmethanol,thehydrogenbondswerebrokenandthenanosheetswereseparated.(Reference[21],copyright2011Wiley-VCH)有許多方法被用來(lái)制備MXene，但通過(guò)HF刻蝕掉MAX中的A相，以此獲得手風(fēng)琴狀或者單層結(jié)構(gòu)仍然是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)制備MXene的主要方法。1.2.1.2氟化物鹽刻蝕法除了直接用HF酸刻蝕之外，通過(guò)氟化鹽和鹽酸原位生成HF酸，也是制備MXene的重要方法。MichaelGhidiu團(tuán)隊(duì)在2014年首次通過(guò)混合氟化鋰(LiF)和鹽酸(HCl)[25]，原位生成HF酸，刻蝕Ti3AlC2中的Al相制備Ti3C2Tx。實(shí)驗(yàn)中制備的親水材料在水合之后體積膨脹，并且可以像粘土一樣成型并干燥成具有高導(dǎo)電性的固體，或卷曲成幾十微米厚薄膜。該實(shí)驗(yàn)為薄膜生產(chǎn)提供了一條更快的途徑，避免了處理危險(xiǎn)的濃氫氟酸，同時(shí)由于Li+的插層，使得Ti3C2Tx的層間距增大。相較于HF刻蝕，LiF與HCl溶液的混合處理方法更為溫和、生產(chǎn)率更高。制備的MXene的單片橫向尺寸更大、缺陷更少。LiF與HCl溶液的混合模式還能夠用于刻蝕其他MAX相，例如Nb2AlC和Ti2AlC等[26,27]。另外LiF也可用其他氟化物替代，例如CaF2、KF、NaF、CsF等，HCl溶液也可用H2SO4替代[28]。但需要注意到，不同氟化物與不同酸溶液之間的結(jié)合對(duì)刻蝕反應(yīng)的微調(diào)，將使制備的MXene材料在成分以及性質(zhì)上具有潛在優(yōu)勢(shì)。比如，我們可以通過(guò)選擇?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Recent advances in MXene: Preparation, properties,and applications[J]. 雷進(jìn)程,張旭,周震. Frontiers of Physics. 2015(03)
本文編號(hào)：2991385
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