水热法制备二氧化铈/二维层状碳化钛复合材料的方法

摘要

本发明提供了一种水热法制备二氧化铈/二维层状碳化钛复合材料的方法，包括：高纯度三元层状Ti

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米复合材料技术领域，特别涉及水热法制备二 氧化铈/二维层状碳化钛复合材料的方法。

背景技术

三元层状陶瓷材料Ti₃AlC₂属于层状六方晶体结构。在Ti₃AlC₂晶 体结构中，Ti和C原子形成Ti₆C八面体，被Al层所隔开，C原子位 于八面体的中心，C与Ti原子结合为强共价键，而Ti-Ti，以及Ti 与Al之间为弱结合，类似于石墨间的范德华力弱键结合。

Ti₃AlC₂兼具金属与陶瓷的性能，在常温下，具有导热性能和导电 性能，以及较低的维氏显微硬度和较高的弹性模量，像金属一样可以 进行机械加工，并且在较高的温度下具有塑性，同时又具备较高的屈 服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性等陶瓷的性能。

二维层状纳米碳化物是一种类石墨烯结构的材料，由于其独特的 二维层状结构，较大的比表面积，良好的导电性及亲水性，良好的磁 性而使其具有超强的催化性能、光伏性能和电化学性能，在功能陶瓷、 光催化、锂离子电池、太阳能电池、生物传感器等方面得到了广泛的 应用。

纳米二氧化铈是一种重要的稀土金属氧化物。纳米氧化铈具有良 好的氧化-还原性能及储氧性能，可用作汽车尾气处理中的三效催化 剂。纳米氧化铈具有独特的4f电子能级结构，可用作紫外线吸收剂。 纳米氧化铈因其稳定的晶型，可用作固体燃料电池电解质。

现有的单一的MXene-Ti₃C₂，比表面积小，特性十分的单一，性 能较低，应用比较狭窄。

发明内容

为了克服以上技术缺陷，本发明提供了一种以水热法制备二氧化 铈/二维层状碳化钛复合材料的方法，具有比表面积更大，特性广泛， 适合大量制备性能高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

水热法制备二氧化铈/二维层状碳化钛复合材料的方法，包括下 述步骤：

步骤一，细化粉体

利用高能球磨细化纯度大于97wt％的三元层状Ti₃AlC₂陶瓷粉体， 球磨条件：球石、混料及球磨介质的质量比为10:1:1，球磨转速为 350r/min，高能球磨时间为2h，然后将所得固液混料在40℃下烘干， 得到Ti₃AlC₂陶瓷粉体；

步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti₃C₂的制备

将步骤一中所得Ti₃AlC₂陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中 5gTi₃AlC₂粉体浸没在80ml质量浓度为40wt％HF酸溶液中反应24h； 磁力搅拌，对步骤一所得Ti₃AlC₂粉体进行腐蚀处理后，用去离子水 离心清洗至pH为6，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米 材料MXene-Ti₃C₂；

步骤三，水热法制备

(1)称取质量比为1:1、1:2、1:4的硝酸铈与步骤二得到的二维 层状纳米材料MXene-Ti₃C₂溶解于30ml超纯水中，搅拌1h；

(2)称取三聚磷酸钠0.02g溶于10ml超纯水中，加入步骤(1) 中的溶液中，搅拌1h；然后将溶液放入均相反应器中，在120℃～ 180℃下反应24h；

(3)待反应结束，产物冷却至室温，然后离心分离，取下层沉 淀部分并分别用无水乙醇和去离子水清洗5次，然后放置于烘箱中鼓 风干燥处理，在40℃下保温24h，即得CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材 料。

所述的球磨介质为无水乙醇。

本发明的有益效果：

采用水热法负载CeO₂到二维层状材料MXene-Ti₃C₂上，负载方法 简单有效，且适合大量制备。负载后的复合材料其比表面积更大，并 且具有CeO₂的一些特性，比如光催化、形貌多样等，因此 CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料的性能更优于单一的MXene-Ti₃C₂，其 应用将更加广泛。由于石墨烯负载CeO2纳米颗粒复合材料具有较高 的电容，较好的光催化性能，且MXene-Ti3C2为类石墨烯结构，为进 一步在超级电容器，锂离子电池，光催化、生物传感器等领域的应用， 做好了前驱物的制备工作。

附图说明

图1为Ti₃AlC₂粉体腐蚀处理前、腐蚀处理后及负载后产物的XRD 图谱。

图2为Ti₃AlC₂粉体的腐蚀产物MXene-Ti₃C₂在烘箱低温40℃鼓风 烘干24h后的样品SEM图。

图3为采用液相法中的水热法制备CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合产 物在烘箱低温40℃鼓风烘干24h后的样品SEM图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。

水热法制备二氧化铈/二维层状碳化钛复合材料的方法，将 Ti₃AlC₂在HF酸中进行化学刻蚀，使Al被选择性刻蚀掉，形成一种二维 层状材料MXene-Ti₃C₂，然后采水热法在二维层状材料MXene-Ti₃C₂上负 载CeO₂，使层状材料的比表面积增大，并且使材料具有光催化降解、 亲生物性，形貌多样等特性，因此，CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料 的性能更优于单一的MXene-Ti₃C₂，其应用将更加广泛。

从图3中可以看出CeO₂均匀地分布在二维层状MXene-Ti₃C₂的表 面与层间。

实施例1

步骤一，细化粉体

利用高能球磨细化纯度大于97wt％的三元层状Ti₃AlC₂陶瓷粉体， 球磨条件：球石、混料及无水乙醇的质量比为10:1:1，球磨转速为 350r/min，高能球磨时间为2h，然后将所得固液混料在40℃下烘干， 得到Ti₃AlC₂陶瓷粉体；

步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti₃C₂的制备

将步骤一中所得Ti₃AlC₂陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中 5gTi₃AlC₂粉体浸没在80ml质量浓度为40wt％HF酸溶液中反应24h； 磁力搅拌，对步骤一所得Ti₃AlC₂粉体进行腐蚀处理后，用去离子水 离心清洗至pH为6，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米 材料MXene-Ti₃C₂；

步骤三，水热法制备

(1)称取硝酸铈0.2g、步骤二得到的二维层状纳米材料 MXene-Ti₃C₂0.2g溶解于30ml超纯水中，搅拌1h；

(2)称取三聚磷酸钠0.02g溶于10ml超纯水中，加入步骤(1) 中的溶液中，搅拌1h；然后将溶液放入均相反应器中，在180℃下反 应24h；

(3)待反应结束，产物冷却至室温，然后离心分离，取下层沉 淀部分并分别用无水乙醇和去离子水清洗5次，然后放置于烘箱低温 40℃鼓风干燥24h，即得CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料。

实施例2

步骤一，细化粉体

利用高能球磨细化纯度大于97％的三元层状Ti₃AlC₂陶瓷粉体，球 磨条件：球石、混料及无水乙醇的质量比为10:1:1，球磨转速为 350r/min，高能球磨时间为2h，然后将所得固液混料在40℃下烘干， 得到Ti₃AlC₂陶瓷粉体；

步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti₃C₂的制备

将步骤一中所得Ti₃AlC₂陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中 5gTi₃AlC₂粉体浸没在80ml质量浓度为40wt％HF酸溶液中反应24h； 磁力搅拌，对步骤一所得Ti₃AlC₂粉体进行腐蚀处理后，用去离子水 离心清洗至pH为6，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米 材料MXene-Ti₃C₂；

步骤三，水热法制备

(1)称取硝酸铈0.2g、步骤二得到的二维层状纳米材料 MXene-Ti₃C₂0.2g溶解于30ml超纯水中，搅拌1h；

(2)称取三聚磷酸钠0.02g溶于10ml去离子水中，加入步骤(1) 中的溶液中，搅拌1h；然后将溶液放入均相反应器中，在120℃下反 应24h；

(3)待反应结束，产物冷却至室温，然后离心分离取下层 沉淀部分并分别用无水乙醇和去离子水清洗5次，然后放置于烘箱低 温40℃鼓风干燥24h，即得CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料。

实施例3

步骤一，细化粉体

利用高能球磨细化纯度大于97wt％的三元层状Ti₃AlC₂陶瓷粉体， 球磨条件：球石、混料及球磨介质的质量比为10:1:1，球磨转速为 350r/min，高能球磨时间为2h，然后将所得固液混料在40℃下烘干， 得到Ti₃AlC₂陶瓷粉体；

步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti₃C₂的制备

将步骤一中所得Ti₃AlC₂陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中 5gTi₃AlC₂粉体浸没在80ml质量浓度为40wt％HF酸溶液中反应24h； 磁力搅拌，对步骤一所得Ti₃AlC₂粉体进行腐蚀处理后，用去离子水 离心清洗至pH为6，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米 材料MXene-Ti₃C₂；

步骤三，水热法制备

(1)称取硝酸铈0.1g、步骤二得到的二维层状纳米材料 MXene-Ti₃C₂0.2g溶解于30ml超纯水中，搅拌1h；

(2)称取三聚磷酸钠0.02g溶于10ml超纯水中，加入步骤(1) 中的溶液中，搅拌1h；然后将溶液放入均相反应器中，在180℃下反 应24h；

(3)待反应结束，产物冷却至室温，然后离心分离，取下层沉 淀部分并分别用无水乙醇和去离子水清洗5次，然后放置于烘箱低温 40℃鼓风干燥24h，即得CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料。

实施例4

步骤一，细化粉体

利用高能球磨细化纯度大于97wt％的三元层状Ti₃AlC₂陶瓷粉体， 球磨条件：球石、混料及球磨介质的质量比为10:1:1，球磨转速为 350r/min，高能球磨时间为2h，然后将所得固液混料在40℃下烘干， 得到Ti₃AlC₂陶瓷粉体；

步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti₃C₂的制备

将步骤一中所得Ti₃AlC₂陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中 5gTi₃AlC₂粉体浸没在80ml质量浓度为40wt％HF酸溶液中反应24h； 磁力搅拌，对步骤一所得Ti₃AlC₂粉体进行腐蚀处理后，用去离子水 离心清洗至pH为6，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米 材料MXene-Ti₃C₂；

步骤三，水热法制备

(1)称取硝酸铈0.1g、步骤二得到的二维层状纳米材料 MXene-Ti₃C₂0.2g溶解于30ml超纯水中，搅拌1h；

(2)称取三聚磷酸钠0.02g溶于10ml超纯水中，加入步骤(1) 中的溶液中，搅拌1h；然后将溶液放入均相反应器中，在120℃下反 应24h；

(3)待反应结束，产物冷却至室温，然后离心分离，取下层沉 淀部分并分别用无水乙醇和去离子水清洗5次，然后放置于烘箱低温 40℃鼓风干燥24h，即得CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料。

实施例5

步骤一，细化粉体

利用高能球磨细化纯度大于97wt％的三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体， 球磨条件：球石，混料及球磨介质的质量比为10:1:1，球磨转速为 350r/min，高能球磨时间为2h，然后将所得固液混料在40℃下烘干， 得到Ti3AlC2陶瓷粉体；

步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti₃C₂的制备

将步骤一中所得Ti₃AlC₂陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中 5gTi₃AlC₂粉体浸没在80ml质量浓度为40wt％HF酸溶液中反应24h； 磁力搅拌，对步骤一所得Ti₃AlC₂粉体进行腐蚀处理后，用去离子水 离心清洗至pH为6，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米 材料MXene-Ti₃C₂；

步骤三，水热法制备

(1)称取硝酸铈0.05g、步骤二得到的二维层状纳米材料 MXene-Ti₃C₂0.2g溶解于30ml超纯水中，搅拌1h；

(2)称取三聚磷酸钠0.02g溶于10ml超纯水中，加入步骤(1) 中的溶液中，搅拌1h；然后将溶液放入均相反应器中，在180℃下反 应24h；

(3)待反应结束，产物冷却至室温，然后离心分离，取下层沉 淀部分并分别用无水乙醇和去离子水清洗5次，然后放置于烘箱低温 40℃鼓风干燥24h，即得CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料。

实施例6

步骤一，细化粉体

利用高能球磨细化纯度大于97wt％的三元层状Ti₃AlC₂陶瓷粉体， 球磨条件：球石、混料及球磨介质的质量比为10:1:1，球磨转速为 350r/min，高能球磨时间为2h，然后将所得固液混料在40℃下烘干， 得到Ti₃AlC₂陶瓷粉体；

步骤二，二维层状纳米材料MXene-Ti₃C₂的制备

将步骤一中所得Ti₃AlC₂陶瓷粉体浸没在HF酸溶液中，其中 5gTi₃AlC₂粉体浸没在80ml质量浓度为40wt％HF酸溶液中反应24h； 磁力搅拌，对步骤一所得Ti₃AlC₂粉体进行腐蚀处理后，用去离子水 离心清洗至pH为6，将所得固体样品室温干燥，得到二维层状纳米 材料MXene-Ti₃C₂；

步骤三，水热法制备

(1)称取硝酸铈0.05g、步骤二得到的二维层状纳米材料 MXene-Ti₃C₂0.2g溶解于30ml超纯水中，搅拌1h；

(2)称取三聚磷酸钠0.02g溶于10ml超纯水中，加入步骤(1) 中的溶液中，搅拌1h；然后将溶液放入均相反应器中，在120℃下反 应24h；

(3)待反应结束，产物冷却至室温，然后离心分离，取下层沉 淀部分并分别用无水乙醇和去离子水清洗5次，然后放置于烘箱低温 40℃鼓风干燥24h，即得CeO₂/MXene-Ti₃C₂纳米复合材料。