一种层状复合材料及其制备方法

本发明涉及一种层状复合材料及其制备方法，属于复合材料。

背景技术：

1、近年来，随着功能复合材料的研究进展，分离吸附、催化载体和电磁屏蔽等领域对功能材料的要求逐渐升高，这主要集中在对复合材料的形貌结构和比表面积的要求。根据研究发现，具有规则微观形貌的复合材料有助于其在应用过程中更加方便控制，从而能够充分的发挥其特殊的功能性。而更高的比表面积则能够为催化剂附着或分离吸附等提供更多的活性位点，从而能够提高其使用效率。目前为了制备高比表面积且微观形貌规则的复合材料往往是通过复杂的合成过程得到的，这些方法限制了其在工业化上的应用和发展。因此如何通过简单的方法制备得到形貌可控、结构稳定且比表面积大的复合材料是解决其工业化应用的最有效的方法。考虑到层状双金属氢氧化物是一种半导体材料，具有原料丰富、制备方法简单、结构稳定等优点，其超高的比表面积和非常规的理化、电子和光电性质已被证明在生物传感、光化学、电磁屏蔽等领域具有积极的意义。但层状双金属氢氧化物仍存在导电性较差、易受腐蚀和微观形貌难以调控等问题。

2、综上所述，开发一种具有可控的形貌结构和高比表面积的复合材料具有特别重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种层状复合材料及其制备方法。

2、在复合材料的制备过程中，通过控制层状双金属氢氧化物和mxene的成分和投料比、及制备方法，能够得到具有可控导电性、形貌可控、结构稳定的层状双金属氢氧化物@mxene复合材料，其在聚合物基体中有望形成导电通路和优异的磁通路，从而有利于提高聚合物/层状双金属氢氧化物@mxene复合材料的电磁屏蔽性能。

3、本发明的第一个目的是提供了一种层状复合材料，所述复合材料是由层状双金属氢氧化物和mxene组成的，其中mxene的质量分数为5％-70％，层状双金属氢氧化物附着在mxene表面并且形成3d花球状结构，粒径为0.5μm-10μm。

4、本发明的第二个目的是提供一种层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：

5、(a)将mxene分散液、金属盐混合物和沉淀剂加入到水中，混匀得到混合液；

6、(b)将步骤(a)所得的混合液进行预加热处理，得到热处理后的混合物；

7、(c)然后对步骤(b)中热处理后的混合物进行二次加热处理，得到产物；

8、(d)将步骤(c)中得到的产物取出，经洗涤和干燥，即得到层状复合材料。

9、本发明的一项实施方式中，步骤(a)中，所述的mxene分散液中的mxene为单少层结构，厚度为1nm-12nm，尺寸为0.5μm-2μm。

10、本发明的一项实施方式中，步骤(a)中，mxene分散液的浓度为0.01～0.05g/ml。

11、本发明的一项实施方式中，步骤(a)中，所得到的混合液中mxene的浓度为0.001g/ml-0.01g/ml。

12、本发明的一项实施方式中，步骤(a)中，所述的金属盐混合物为二价金属m2+和三价金属m3+的金属盐混合物；所述的m2+为mg2+、ni2+、co2+、zn2+和cu2+中的任意一种，所述的m3+为al3+、cr3+、fe3+和sc3+中的任意一种；二价金属m2+和三价金属m3+的金属盐的摩尔比为(1-4):1。

13、优选的，二价金属m2+为ni2+。

14、优选的，三价金属m3+为fe3+。

15、本发明的一项实施方式中，步骤(a)中，所得到的混合液中金属盐混合物的浓度为0.01g/ml-0.2g/ml。

16、本发明的一项实施方式中，步骤(a)中，所述的沉淀剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、尿素、氨水中的至少一种。

17、优选的，所述的沉淀剂为尿素。

18、本发明的一项实施方式中，步骤(a)中，所得到的混合液中沉淀剂的浓度为0.015g/ml-0.05g/ml。

19、本发明的一项实施方式中，步骤(b)中，预加热处理的加热温度为50℃-80℃，时长为10min-30min。

20、本发明的一项实施方式中，步骤(c)中，二次加热处理的加热温度为100℃-150℃，时长为3h-12h。

21、优选的，步骤(c)中，所述的加热温度为100℃-120℃，时长为10h-12h。

22、本发明的一项实施方式中，层状复合材料的制备方法，步骤为：

23、(a)mxene分散液、氯化镍、氯化铁和尿素加入到水中，混匀得到混合液；

24、mxene分散液的浓度为0.01～0.05g/ml；

25、mxene分散液中的mxene和氯化镍质量比为0.32:2～2.5；

26、mxene分散液中的mxene和氯化铁质量比为0.32:0.5～1；

27、mxene分散液中的mxene和尿素质量比为0.32:1～2；

28、mxene分散液中的mxene和水质量比为0.32:40～60；

29、(b)将步骤(a)所得的混合液加入到反应釜中密封，加热至50-60℃并保持10-20min；

30、(c)然后对步骤(b)加热后的混合物进行二次升温至100-120℃并恒温保持10-12h；

31、(d)将步骤(c)二次升温后所得混合物取出，洗涤后干燥，得到粉末状复合物，即为具有3d花球状结构的层状复合材料。

32、本发明提供根据上述方法制备的层状复合材料。

33、本发明还提供了上述的层状复合材料在分离吸附、催化及催化剂载体、生物传感、光化学、电磁屏蔽、电池能源、航空航天、军事国防、船舶舰艇、信息通讯领域中的应用。

34、本发明的有益效果在于：

35、本发明通过控制制备过程和条件，将层状双金属氢氧化物生长在mxene表面，并组装形成具有3d花球状结构的层状双金属氢氧化物@mxene复合材料。本发明中引入了低温热处理过程，对层状双金属氢氧化物在mxene表面的附着和成核提供了促进作用和有效的调控。在此过程中，低温条件能够有效地减少mxene的氧化，并使后续层状双金属氢氧化物的生长过程更为快速。该制备过程除了能够调控层状双金属氢氧化物@mxene复合材料的结构外，还能够调节其比表面积，这种特点能够为其应用中提供足够的附着点和接触面。这种结构的调控对于其在分离吸附、催化及催化剂载体、生物传感、光化学、电磁屏蔽、电池能源、航空航天、军事国防、船舶舰艇、信息通讯领域中的应用十分重要。

技术特征：

1.一种层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的mxene分散液中的mxene为单少层结构，厚度为1nm-12nm，尺寸为0.5μm-2μm；mxene分散液的浓度为0.01～0.05g/ml；所得到的混合液中mxene的浓度为0.001g/ml-0.01g/ml。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的金属盐混合物为二价金属m2+和三价金属m3+的金属盐混合物；所述的m2+为mg2+、ni2+、co2+、zn2+和cu2+中的任意一种，所述的m3+为al3+、cr3+、fe3+和sc3+中的任意一种；二价金属m2+和三价金属m3+的金属盐的摩尔比为(1-4):1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所得到的混合液中金属盐混合物的浓度为0.01g/ml-0.2g/ml。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的沉淀剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、尿素、氨水中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所得到的混合液中沉淀剂的浓度为0.015g/ml-0.05g/ml。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)中，预加热处理的加热温度为50℃-80℃，时长为10min-30min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)中，二次加热处理的加热温度为100℃-150℃，时长为3h-12h。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述方法制备得到的层状复合材料。

10.根据权利要求1-9任一项所述的层状复合材料在分离吸附、催化及催化剂载体、生物传感、光化学、电磁屏蔽、电池能源、航空航天、军事国防、船舶舰艇、信息通讯领域中的应用。

技术总结本发明公开了一种层状复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明通过在MXene表面生长层状双金属氢氧化物，通过在其制备方法中引入了低温热处理的预处理步骤，从而能够在较低的温度中制备得到3D花球状结构的层状复合材料。其中MXene的质量分数为5％‑70％，并且层状双金属氢氧化物贴附在MXene表面并且形成3D花球状结构。此外，通过调节制备过程和加工温度，能够准确的调控层状复合材料的微观形貌，同时能够同步地精确控制其比表面积。这种结构的调控对于其在分离吸附、催化及催化剂载体、生物传感、光化学、电磁屏蔽、电池能源、航空航天、军事国防、船舶舰艇、信息通讯领域中的应用十分重要。技术研发人员：马丕明,段亚强,徐鹏武,杨伟军受保护的技术使用者：江南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18