摘 要

本文以Ti₃AlC₂为原料，采用HCl KF和KOH KF为刻蚀剂， 在不同条件下制备出了Ti₃AlC₂ MXene。探索了腐蚀剂种类、浓度、温度对刻蚀效果的影响。

研究结果表明：采用HCl和KF作为混合刻蚀剂，通过刻蚀Ti₃AlC₂来制备MXene，提高刻蚀剂浓度、提高反应温度都有助于刻蚀反应的进行。考虑到过高浓度的HCl KF混合会析出KCl，所以提高反应温度和延长刻蚀时间是提高刻蚀效率的有效途径。本文首次在碱性环境中，选择KOH KF作为刻蚀剂，通过刻蚀Ti₃AlC₂来制备MXene。

关键词：MXene；MAX相；二维材料；Ti₃AlC₂；刻蚀

Abstract

In this paper, Ti₃AlC₂ MXene was prepared under different conditions by using HCl KF and KOH KF as etchant. Ti₃AlC₂ powders are immersed in HCl and KF solution at different temperature for 24h. In this paper, we study the effect of etchant type, concentration and temperature on the etching results.

The results show that the formation of MXene by etching Ti₃AlC₂ with HCl and KF as the mixed etchant, increasing the concentration of etchant and improving the reaction temperature all contribute to the etching reaction. Considering the high concentration of HCl KF mixture will precipitate KCl, so to improve the reaction temperature and extend the etching time is an effective way to improve the etching efficiency. In this paper, for the first time in the alkaline environment, select KOH KF as an etching agent, by etching Ti₃AlC₂ to prepare MXene.

Key Words：MXene；MAX phase；two dimensional material；Ti₃AlC₂

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 MXene概述 1

1.2 课题研究背景 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 MXene的制备原理 3

1.5 MXene的物理性能 4

1.6 MXene的应用 5

第2章 二维碳化物晶体MXene的制备 9

2.1 引言 9

2.2实验原料及试剂 9

2.3 HF和KF混合刻蚀制备MXene 9

2.4 KOH和KF混合刻蚀制备MXene 10

第3章 表征及分析 12

3.1 测试仪器 12

3.2 HF和KF混合刻蚀制备MXene数据分析 12

3.3 KOH和KF混合刻蚀制备MXene数据分析 18

3.4 结论 19

3.5 展望 19

参考文献 20

致谢 21

1. 绪论

MXene是一类结构十分特殊、性能非常优异、应用价值很高的新型二维过渡金属碳化物或氮化物材料。MXene自2011年首次被发现以来，就展现出极高的潜在研究价值。很多研究员对MXene这一领域表现出了极高的热情，短短几年，有关MXene的研究报导迅速增加，这逐渐揭开了MXene的神秘面纱。

1.1 MXene概述

MXene是近几年才发现的一类新型二维晶体材料。MXene在结构上与性能上都与石墨烯类似，可把它称为类石墨烯材料。它的化学式可以统一表达为M_{n 1}X_n。表达式中n取1、2、3，M代表诸如Ti、Cr、Zr等过渡金属元素，X代表碳元素或者氮元素。MXene是由三元层状碳化物或氮化物MAX相，通过HF等的刻蚀剂选择性的刻蚀出其中的A组分层后得到的一类二维过渡金属碳化物或氮化物材料。化学式为M_{n 1}X_nT_x，其中T代表M被腐蚀去除后M_{n 1}X_n层表面结合的OH^-、F^-、NH₃、O^2-、NH₄ 等官能团。采用超声振动的方法可将刻蚀后得到的多层MXene剥落成单层或少层的MXene。

1.2 课题研究背景

石墨烯自问世以来，就以其独特的二维结构和优异的性能成为人们的研究热点。石墨烯结构非常独特，在平面内以sp²方式杂化，组成类似于蜂窝状的二维结构，具有非常优异的电学、力学、热学及磁学性能，被看做是当今材料领域尤其是纳米领域非常有前途的材料之一^[1-4]。但是，石墨烯并非是唯一的二维晶体，它只是二维晶体家族中的一员，一些具有特殊性能包含其他元素的二维晶体材料也吸引了人们的注意。

我们知道，二维晶体材料可按以下方法分为两大类：一类是石墨烯基材料，包含石墨烯材料和以石墨烯材料为基底包含有一些官能团的材料，以石墨烯和氧化石墨烯为代表^[5-6]。另一类可称之为类石墨烯材料。顾名思义，这类二维晶体材料在结构上与石墨烯类似，都呈现蜂窝状平面特征，但是在化学组成上不在单一，除了含有碳元素外，还含有其他元素，例如六方BN、MoS₂等^[7-8]。上面提到的两类二维晶体材料几乎都是采用化学刻蚀或机械剥离等方法得到的，而且被剥离的三维层状前驱体必须满足其层间范德华结合力较弱的要求。对于层间结合力较强的三维层状材料在MXene出现之前几乎不能被剥离成像石墨烯那样的二维纳米片。

但是在2011年，情况有了转机。在这一年Naguib等首次把层间结合力较强的三维层状材料Ti₃AlC₂作为前驱体，成功制备出了像石墨烯那样二维晶体材料Ti₃C₂，这在制备二维晶体材料领域开创了先河。一年后，他们又如法炮制，发现了一大批可用来制备二维晶体材料的三维层状化合物前驱体，比如Ti₂AlC、Ta₄AlC₃、Ti₃AlCN等，运用HF作为刻蚀剂成功制备出了Ti₂C、Ta₄C₃ 、Ti₃CN 等相应的二维晶体材料。他们把这类结构特殊的新型二维晶体取了个名字——MXene^[9-10]，用来表明它跟石墨烯类似的结构。用于制备二维晶体材料MXene的前驱体被称为MAX相，它是一种新型的陶瓷材料，包含五六十种三元层状氮化物或氮化物，其化学式为M_{n 1}AX_n，其中M代表过渡金属元素；A代表主族元素；X代表碳元素或氮元素。由于MAX相数量众多，所以由MAX相可制备出数量众多二维晶体材料^[11-12]。可以预料到这种新型二维晶体的制备方法将备受人们关注，成为人们的研究焦点。