镍催化剂对MXene-CDC结构的影响研究

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碳化物衍生碳(Carbide-derived carbon,简称CDC)是以碳化物晶格为模板,通过蚀刻除去其中的非碳原子所获得的一类纳米骨架碳。结构的多样性及孔径的可调控性使CDC在众多领域具有广阔的应用前景。MXene是近年来备受关注的一类新型二维过渡金属碳化物,但迄今很少有工作涉及由MXene蚀刻成CDC的研究,至于借助催化实现对MXene-CDC的结构调控更是鲜见报道。基于此,本论文以Ti3C2Tx这一典型MXene材料为对象,金属镍(Ni)为催化剂,研究了Ni催化对Ti3C2Tx-CDC微观结构的影响,探索了Ti3C2Tx-CDC微观结构演化与Ni引入方式的相关性。主要的研究工作和结果如下:(1)以HF蚀刻法获得的Ti3C2Tx为原料,分别采用自还原法、氢气还原法、路易斯酸熔融盐法制备Ti3C2Tx\Ni复合材料,将三种材料进行表征,对比确定材料间的不同点。结果表明:三种材料在Ti3C2Tx的结构完整性、表面官能团的种类和数量等方面存在着极大的不同;自还原法的原理是高温环境下,Ti3C2Tx制备过程中残留在空位的H2逸出,Ti3C2Tx表面大量的-OH基团掉落,两者共同作用将层间的Ni还原,同时产生一定量的Ti O2;在氢气还原法中,氢气帮助将C-Ti键保留,对层状结构起到保护效果,抑制了材料高温氧化现象,降低了材料的含氧量;路易斯酸熔融盐体系获得的材料表面官能团以-Cl基团为主,只在清洗过程中引入少量-OH基团,几乎没有氧化,无Ti O2产生。(2)以Ti3C2Tx原料以及上述三种复合材料为前驱体来制备CDC,以此来实现对于CDC材料的镍催化合成,从而系统探究前驱体表面化学状态对于CDC结构成形的影响、Ni负载催化对CDC结构形貌的影响等问题。结果表明:两种Ti3C2Tx\Ni复合材料在CDC蚀刻过程中会发生较严重的氧化现象,前驱体在制备CDC过程中的氧化程度与该材料表面的Ti O2含量有关,Ti O2的含量越高,材料在蚀刻过程中的发生的氧化就越严重,最终导致整个前驱体几乎都被氧化。以Ti3C2Tx原料为前驱体获得的CDC会保持手风琴层状结构,Ti3C2Tx\Ni材料层间负载的Ni颗粒催化效果显著,CDC具有极高的石墨化程度同时呈现为一种小尺寸的超薄弯曲碳片;蚀刻中,材料中的Ni于层间位置起到强烈的催化效果,使碳原子层层组合成为类石墨带结构,导致该受催化的部分应力增大,最终该石墨结构从碳层脱离,呈现为此种弯曲碳片形态;高能球磨处理材料对获得的CDC结构影响不大,但是高能球磨处理对Ti3C2Tx\Ni材料起到了一定的剥离效果,从而可以获得一种超薄二维碳结构。
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