二維MXene基材料的制備及應(yīng)用研究
發(fā)布時間：2021-03-08 03:45
MXene是二維過渡金屬碳化物、氮化物以及碳氮化物的統(tǒng)稱,通常具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、柔韌性及能量存儲性能。因此MXene已廣泛應(yīng)用于超級電容器、電池、光電催化等領(lǐng)域。但在大多數(shù)報道中為了提高性能都將MXene與其他材料復(fù)合。這會造成材料表征和機理分析變得更加復(fù)雜和困難,并且合成工藝繁復(fù)、制備周期長。本課題在充分研究MXene材料自身特性的基礎(chǔ)上,通過簡單、環(huán)保、低成本的制備工藝（如:溶劑熱、超聲、磁力攪拌等）調(diào)整其層間距、尺寸及表面基團等結(jié)構(gòu),從而調(diào)控了MXene的導(dǎo)電性、磁性和光學(xué)性質(zhì)等性能,進而使單純的MXene材料在電催化固氮、納米酶催化、電磁波吸收等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。通過減小MXene材料尺寸、控制表面基團種類制備了富含羥基的Ti3C2Tx MXene量子點用于常溫常壓下的電化學(xué)固氮:以Ti3C2Tx MXene納米片為原料,通過堿化、插層和剪切制備的富含羥基的Ti3C2Tx MXen...
【文章來源】：青島大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：123 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
MAX相的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的MXenes結(jié)構(gòu)（摘自參考文獻[1]，版權(quán)所有2014Wiley）
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文4MXenes主要的制備工藝是通過對前驅(qū)體MAX相（Mn+1AXn）的A層進行選擇性刻蝕，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的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，X原子填充在M原子層的八面體位點之間構(gòu)成Mn+1Xn層，而Mn+1Xn層與A原子層交錯排列[1]。在前驅(qū)體MAX相中的M-X鍵具有共價/金屬/離子特性的強鍵，而M-A鍵相對較弱，具有純金屬鍵性質(zhì)[13,14]。因此，M-A鍵在高溫下易被破壞，進而重結(jié)晶并形成三維的Mn+1Xn巖鹽狀結(jié)構(gòu)[3,15]。而且由于MAX相中的M-X鍵是通過部分離子鍵結(jié)合在一起，從而使得M-X鍵難以通過物理方法（如機械剝離，超聲處理或分散）進行分離[16,17]。因此，該過程制備的Mn+1XnTx材料具有高度穩(wěn)定且緊密堆積的特點。迄今為止，因已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三十多種MXenes材料，如圖1.2（A）展示了用于構(gòu)建MXene的元素周期表的元素，而圖1.2（B）列出了迄今為止已發(fā)現(xiàn)的MXenes種類[5,18-21]。其中，鈦基MXenes（例如Ti3C2Tx和Ti2CTx等）在各個領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛[18,19,22-24]。此外由于其獨特的分層結(jié)構(gòu)和2D形態(tài)，可以輕松的與其他材料復(fù)合形成復(fù)合材料以增強其性能[25,26]。圖1.2（A）MXenes材料中的M、X和Tx元素在元素周期表中的規(guī)律。深藍(lán)色背景的元素是可以有選擇地進行蝕刻以制造MXenes的過渡金屬元素。淺藍(lán)色背景是理論上以制造MXenes
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文5但現(xiàn)在還未實現(xiàn)的過渡金屬元素。黃色背景上的元素代表常見的表面官能團包含的元素（摘自參考文獻[11]，版權(quán)所有2019AmericanChemicalSociety）。（B）MAX相的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的MXenes（摘自參考文獻[11]，版權(quán)所有2019AmericanChemicalSociety）。Figure1.2(A)ElementsusedtobuildMXenes.ThebrightblueelementsrepresentMXenesthathavenotbeenyetexperimentallyconfirmed.(B)Thistableincludesbothexperimentally(markedinblue)andtheoretically(markedingray)exploredcompositionsofMXenes.Surfaceterminationsarenotshown.1.2MXenes材料的制備圖1.3制備MXenes材料的進展時間表（摘自參考文獻[27]，版權(quán)所有2020ElsevierB.V.）。Figure3.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.據(jù)報道，到目前為止已通過實驗獲得了30多種MXene（見表格1.1），并且根據(jù)理論預(yù)測，還有更多未被發(fā)現(xiàn)[28,29]。如圖1.3羅列了發(fā)現(xiàn)MXenes材料的進展的簡要時間表�？梢钥吹浇鼛啄闙Xenes材料的發(fā)展速度越來越迅速，并且可以從表格1.1和圖1.3中看到制備MXenes材料的工藝流程也越來越豐富，逐漸從使用高毒性和高腐蝕性的HF溶液發(fā)展到通過熔融鹽、高溫堿溶液和電化學(xué)方法剝離等更豐富更綠色健康的方法和工藝。因此我們匯總并討論了刻蝕前驅(qū)體MAX材料制備MXenes的不同方法以及不同制備工藝之間的優(yōu)缺點。表格1.1制備MXenes材料的進展時間表（摘自參考文獻[27]，版權(quán)所有2020ElsevierB.V.）。Table1.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.
本文編號：3070351
【文章來源】：青島大學(xué)山東省
【文章頁數(shù)】：123 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
MAX相的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的MXenes結(jié)構(gòu)（摘自參考文獻[1]，版權(quán)所有2014Wiley）
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文4MXenes主要的制備工藝是通過對前驅(qū)體MAX相（Mn+1AXn）的A層進行選擇性刻蝕，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的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，X原子填充在M原子層的八面體位點之間構(gòu)成Mn+1Xn層，而Mn+1Xn層與A原子層交錯排列[1]。在前驅(qū)體MAX相中的M-X鍵具有共價/金屬/離子特性的強鍵，而M-A鍵相對較弱，具有純金屬鍵性質(zhì)[13,14]。因此，M-A鍵在高溫下易被破壞，進而重結(jié)晶并形成三維的Mn+1Xn巖鹽狀結(jié)構(gòu)[3,15]。而且由于MAX相中的M-X鍵是通過部分離子鍵結(jié)合在一起，從而使得M-X鍵難以通過物理方法（如機械剝離，超聲處理或分散）進行分離[16,17]。因此，該過程制備的Mn+1XnTx材料具有高度穩(wěn)定且緊密堆積的特點。迄今為止，因已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三十多種MXenes材料，如圖1.2（A）展示了用于構(gòu)建MXene的元素周期表的元素，而圖1.2（B）列出了迄今為止已發(fā)現(xiàn)的MXenes種類[5,18-21]。其中，鈦基MXenes（例如Ti3C2Tx和Ti2CTx等）在各個領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛[18,19,22-24]。此外由于其獨特的分層結(jié)構(gòu)和2D形態(tài)，可以輕松的與其他材料復(fù)合形成復(fù)合材料以增強其性能[25,26]。圖1.2（A）MXenes材料中的M、X和Tx元素在元素周期表中的規(guī)律。深藍(lán)色背景的元素是可以有選擇地進行蝕刻以制造MXenes的過渡金屬元素。淺藍(lán)色背景是理論上以制造MXenes
青島大學(xué)碩士學(xué)位論文5但現(xiàn)在還未實現(xiàn)的過渡金屬元素。黃色背景上的元素代表常見的表面官能團包含的元素（摘自參考文獻[11]，版權(quán)所有2019AmericanChemicalSociety）。（B）MAX相的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的MXenes（摘自參考文獻[11]，版權(quán)所有2019AmericanChemicalSociety）。Figure1.2(A)ElementsusedtobuildMXenes.ThebrightblueelementsrepresentMXenesthathavenotbeenyetexperimentallyconfirmed.(B)Thistableincludesbothexperimentally(markedinblue)andtheoretically(markedingray)exploredcompositionsofMXenes.Surfaceterminationsarenotshown.1.2MXenes材料的制備圖1.3制備MXenes材料的進展時間表（摘自參考文獻[27]，版權(quán)所有2020ElsevierB.V.）。Figure3.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.據(jù)報道，到目前為止已通過實驗獲得了30多種MXene（見表格1.1），并且根據(jù)理論預(yù)測，還有更多未被發(fā)現(xiàn)[28,29]。如圖1.3羅列了發(fā)現(xiàn)MXenes材料的進展的簡要時間表�？梢钥吹浇鼛啄闙Xenes材料的發(fā)展速度越來越迅速，并且可以從表格1.1和圖1.3中看到制備MXenes材料的工藝流程也越來越豐富，逐漸從使用高毒性和高腐蝕性的HF溶液發(fā)展到通過熔融鹽、高溫堿溶液和電化學(xué)方法剝離等更豐富更綠色健康的方法和工藝。因此我們匯總并討論了刻蝕前驅(qū)體MAX材料制備MXenes的不同方法以及不同制備工藝之間的優(yōu)缺點。表格1.1制備MXenes材料的進展時間表（摘自參考文獻[27]，版權(quán)所有2020ElsevierB.V.）。Table1.1TimelineofMXeneinvestigationprogress.
本文編號：3070351
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