碳化物二维晶体MXene的制备及性能研究

MXenes are graphene-like transition metal carbides two dimensional (2D) crystals. They are conductors and can be well dispersed in water liquid. This project will research the synthesis and properties of these novel 2D materials. Layered ceramics MAX phases (Ti3AlC2, Ti2AlC, etc.) will be etched by HF acid to remove metallic A layers, then intercalated by organic molecules, exfoliated by ultrasound, to obtain 2D crystals MXene (Ti3C2, Ti2C, etc.). The research will try to understand the influence of MAX phases powders, etchant and temperature, etc., explore the methods to separate 2D crystals from byproducts and impurities by the mechanisms of mineral separation. This research will obtain a mature method to make MXenes and explore new technology to make these materials. By the methods of first principle calculation and experimental measurement, the microstructure of these materials will be observed, resolved and designed. The fundamental physical properties will be experimental measured. The relation between properties and crystal structure as well as additional functional groups will be researched. The electrochemical properties and gas adsorption properties will be experimentally measured. The performance of MXenes as electrode materials of Li-ion batteries will be experimental measured. The application of MXenes as hydrogen storage materials and gas sensor materials is proposed and will be researched.

MXene是一种过渡金属碳化物二维晶体，具有和石墨烯类似的结构,良好的导电性和亲水性。本项目研究这种新型二维材料的制备与性能。 通过氢氟酸刻蚀层状陶瓷MAX相（Ti3AlC2、Ti2AlC等），移除主要以金属键结合的A元素层，剩下具有陶瓷性的MX层(Ti3C2、Ti2C等)，然后有机分子插层剥离，超声波分散，获得MXene二维晶体。认识前驱体、刻蚀溶液、刻蚀温度与时间等因素对制备过程的影响，探究利用选矿学原理从多组分固体混合物中分离提纯MXene的过程，掌握这种新型纳米材料的制备技术，探索新的制备方法。 利用理论计算与实验研究相结合的方法，观测、解析与设计MXene二维晶体微观结构。实验测量基本物理性能，研究晶体结构与附加官能团对性能的影响。测试这种材料的电化学与气体吸附性能，研究这类材料作为锂离子电池电极材料的性能，探索MXene在储氢材料与气敏材料等领域的新应用。

MXene是一种新型二维碳化物/氮化物材料，具有和石墨烯类似的结构。这种材料2011年首先被制备出来，因为独特的微观结构与广泛的应用前景，迅速成为国内外的研究热点。2014年我们获得国家自然科学基金委的资助研究MXene的制备与性能。本项目的主要研究成果如下：..成功制备了高纯的MXene二维材料，包括Ti3C2，Ti2C和V2C。探索明晰了这些MXene的制备工艺过程，认识到了前驱体颗粒度、刻蚀温度、刻蚀溶液对所制备的MXene的纯度和微观结构的影响；用水热刻蚀的方法，在温和的条件下制备出Ti3C2 MXene，并探索了不同水热条件对MXene微观形貌结构的影响；发现并报道NaF+HCl高温刻蚀制备高纯V2C MXene制备的工艺工程。..表征了MXene在锂离子电池电极材料与超级电容器方面的性能，采用密度泛函理论研究了二维过渡金属碳化物Ti2C、V2C和Nb2C的储锂性能和官能团对其储锂性能的影响，发现MXene材料在储锂过程中会发生结构相变行为。研究了MXene在气体吸附材料、光催化方面的性能，提出MXene可以用应用高性能的储氢材料、甲烷吸附材料。制备了MXene高分子复合材料，表征了MXene在提高复合材料力学性能、电学性能方面的作用和机理。..基于这些工作，我们团队发表了标注基金资助的论文51篇，其中SCI检索论文33篇，已经被引用409次，EI检索论文8篇。申请专利发明 10项，授权专利3项。在这些研究基础上，课题组18年获得河南高校科技创新团队（19IRTSTHN027）。..在2018年项目负责人周爱国担任客座编辑，为SCI学术期刊Materials (影响因子2.654)，组织了一期MAX相与MXene专辑（http://www.mdpi.com/journal/materials/special_issues/max_mxenes)。2018年3月，材料科学专业研究网站“材料人”发表一篇关于MXene的研究进展的报告（http://www.cailiaoniu.com/129463.html），全世界在这一领域发表SCI研究论文最多的学者中，周爱国排名第三。