MXenes的刻蚀方法及其在有机溶剂中的分散性

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230064

摘要/Abstract

摘要：

MXenes是一种亲水性二维无机材料，具有良好的可调控性。通过调控表面形貌和表面端基使其拥有更广泛的分散性能和应用特性。本研究对MXenes刻蚀方法和在有机溶剂中的分散性进行了研究，研究发现Al作为“A”层的MAX相更易刻蚀生成Ti₃C₂T _x，且HF刻蚀可以得到多层Ti₃C₂T _x，利用HCl+LiF原位生成HF刻蚀更容易得到单层Ti₃C₂T _x 溶液。使用DMF等有机溶剂作为助分散剂可以将Ti₃C₂T _x 由亲水性转变为疏水性，且其作为助分散剂可以将Ti₃C₂T _x 有效分散在润滑油中；而十二烷基磷酸修饰的Ti₃C₂T _x 表现出较好的疏水性，水接触角高于90（°），可以制备更高浓度的Ti₃C₂T _x -润滑油分散液。这为MXenes的有机分散和润滑油添加剂的应用提供了广阔的思路和坚实的基础。

关键词: MXenes, 刻蚀, 助分散, 表面修饰, 亲水性

Abstract:

MXenes is a hydrophilic two-dimensional inorganic materialand has a wide range of dispersion properties and application characteristics through the regulation of its morphology and surface end-group. The etching method and dispersibility in organic solvents are studied. It is found that Al as the “A” layer of the MAX phase is more likely to be etched to form Ti₃C₂T _x . Multilayer Ti₃C₂T _x can be obtainedby HF etching. Etching of MAX by in situ generated HF from HCl+LiFis more likely to obtain single layer Ti₃C₂T _x solution. DMF and other organic solvents as dispersants can change Ti₃C₂T _x from hydrophilic to hydrophobic， and Ti₃C₂T _x can effectively dispersed in lubricating oil as the dispersant aid. Ti₃C₂T _x modified with dodecyl phosphate shows a better hydrophobicity with the water contact angle of higher than 90（°）， which can be used to prepare higher concentration Ti₃C₂T _x -lubricating oil dispersion. This research provides a broad idea and a solid foundation for the application of MXenes in organic dispersion and lubricant additives.

Key words: MXenes, Etch, Auxiliary dispersion, Surface-modified, Hydrophilic

中图分类号:

O614

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图/表 9

图1 Ti3AlC2和Ti3SiC2的XRD谱图和SEM形貌图

Fig.1 XRD patterns and SEM photos of Ti3AlC2 and Ti3SiC2

图2 HF刻蚀Ti3AlC2（A）、（B）、（C）和Ti3SiC2（D）、（E）、（F）在6、12 和24 h时的SEM形貌图

Fig.2 SEM images of HF-etched Ti3AlC2 （A），（B），（C） and Ti3SiC2 （D），（E），（F） at 6， 12 and 24 h

图3 Ti3AlC2和Ti3SiC2经HF刻蚀后（A）单层溶液的丁达尔效应和（B）XRD图谱

Fig.3 （A） Monolayer solution dindahl effect and （B） XRD patterns of Ti3AlC2 and Ti3SiC2 after HF etching

图4 HF刻蚀（A）Ti3AlC2、（B）Ti3SiC2的多层Ti3C2T x 元素面分布及其含量

Fig.4 The distribution and content of multilayer Ti3C2T x elemental plane of （A） Ti3AlC2，（B） Ti3SiC2 etched by HF

图5 HCl+LiF刻蚀Ti3AlC2 （A、B）和Ti3SiC2（C、D） 24 h的多层和单层MXenes的SEM形貌图

Fig.5 The SEM morphologies of multilayer and single-layer MXenes etched by HCl+LiF for 24 h of Ti3AlC2（A， B） and （C， D） Ti3SiC2

图6 Ti3AlC2和Ti3SiC2经HCl+LiF刻蚀后（A）单层溶液的丁达尔效应、（B）单层和多层MXenes的XRD图谱

Fig.6 （A） Monolayer solution dindahl effect and （B） the monolayer and multilayer MXenes XRD patterns of Ti3AlC2 and Ti3SiC2 after HCl+LiF etching

图7 H2O-M、DMF-M、NMP-M和DMSO-M的水接触角和溶液光学影像图

Fig.7 Water contact angle and solution images of H2O-M， DMF-M， NMP-M and DMSO-M

图8 DMF、NMP、DMSO辅助MXenes分散在5750和OSP-46的（A、B）光学影像图和（C、D）透光率曲线

Fig.8 （A， B） Images and （C， D） transparency curves of DMF， NMP and DMSO-assisted MXenes dispersed in 5750 and OSP-46

图9 烷基磷酸修饰的MXenes分散在OSP-46、500N、PAO10和5750的（A）光学影像图和（B）在400 nm波长下透光率散点图及P-M-OSP-46膜的水接触角

Fig.9 （A） Images and （B） transparency scatter diagram at 400 nm wavelength of alkyl phospho-modified MXenes dispersed in OSP-46， 500N， PAO10， and 5750 and the water contact angle of P-M-OSP-46

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