MXene/MFe2O4吸波材料的第一性原理研究(4)

2.2 Mxene 的制备

根据已有的实验经验，制备二维过渡金属碳化物或碳氮化物的前提产物是 MAX 相，而且由于形成键的类型是共价键、金属键、离子键综合产物，所以 MAX 相里 M-X 形成键的能量很大。因此，相比起其他层状的、片状的材料，这些材料的层与层之间是由一种叫范德华力（van der Waals force）的化学作用力相互结合起来的，例如单质材料-石墨以及过渡金属二硫属化物（transition-metal dichalcogenide）。然而，MAX 相两个层之间的相互作用力相比起范德华力更加强，并且很难通过一些方式，例如一些机械切变等来实现层与层之间的分离。但是，由于 M-X 键与 M-A 键这两者的相对强度是有差异

的，根据实验经验，可以做到在不影响 M-X 键的前提之下，材料科研者可以利用化学方法将 A 层的化学元素进行部分地腐蚀处理。

目前，Mxene 主要是通过在室温下加入氢氟酸以及来剥离 MAX 相中的 A 位元素制得的。现在已经制备出的 Mxene 有： Ti3C2、Ti2C 、Ta4C3、TiNbC 、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、 Nb2C、Nb4C3 、Ti3CN[3-5]。文献综述

以 Ti3C2Tx 为例，其制备的过程如下：

首先，在室温下，将 Ti3AlC2 粉末浸入浓度为 50%的 HF 溶液中 2h，之后进行超声处理，得到悬浊状的混合溶液。然后，将混合溶液装入离心机进行离心操作，离心机的转速和离心时间根据实际情况调整。离心完成后，使用去离子水反复清洗溶液，直至其 PH 值为中性。最后，再进行一次离心操作，得到的沉淀物即为 Ti3C2Tx

整个过程的化学反应方程式如下：

2Ti3AlC2 +6HF=2AlF3 +3H2 +2Ti3C 2

Ti3C2 +2H2O=Ti3C2 (OH)2 +H2

Ti3C2 +2HF=Ti3C2F2 +H2

由于实验使用的 HF 酸是浓度极高的，并且具有一定毒性，本文提到的所有制备方法都是具有一定危险性的。目前，部分 MXene 可以选用其他的溶液来替代氢氟酸来制备，例如：可以使用 NH4HF2 来腐蚀剥离外延生长的 Ti3AlC2 来制备 Ti3C2,可以在一定程度下降低实验的危险性。

表 2-1 制备不同 Mxene 相的实验方案

蚀刻溶

c lattice parameter/nm

MXene MAX 时间/h

(V0.5Cr0.5 )3C2Tx

(V0.5Cr0.5 )3AlC2

50% HF 69 1.773 2.426

Ti3CNTx

Ti3AlCN Ti3AlC2

30% HF

50% HF

1.841

1.842

2.228

2.051

Ti3C2Tx Ti3AlC2 40% HF 20 18.62 20.89

Ta4C3Tx Ta4AlC3 50% HF 72 2.408 3.034

Nb4C3Tx

Nb4AlC3

48%-

51% HF

96 2.242 3.059

从上表中可以发现，目前只有含 Al 的 MAX 相可以被 HF 酸腐蚀剥离，而在理论计算模拟中却预估 Ti 或者 In 元素的 MAX 相更容易被剥离。目前，只有一种含氮的 MXene 被制备出来，即 Ti3CNTx。我们可以借助第一性原理来推测， Mn+1Nn 没有 Mn+1Cn 稳定，并且在制备 MXene 的过程中，浓度、温度以及化学反应进行的时间都对实验结果有着相当显著的影响。 MXene/MFe2O4吸波材料的第一性原理研究(4):http://www.751com.cn/cailiao/lunwen_74164.html