一种MXene基复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及氨气检测，具体涉及一种mxene基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着工业技术的飞速发展，有毒有害气体可以来自人们生活和工作的诸多方面，对大气环境及微环境中有毒有害气体成分和浓度的实时、快速检测对于人类活动至关重要。氨气(nh3)是常见的一种有害气体，过量摄入会导致肺肿胀、肝功能衰竭，甚至死亡。泄漏的氨气扩散在空气中不仅对人类的身体健康产生危害而且还会腐蚀金属设备，造成巨大的经济损失。因此，实现氨气的快速、有效、便捷、高灵敏度、高选择性检测，减小氨气造成的危害，是保护我国人民健康、国家环境安全和经济发展的迫切需要。

2、近年来，电阻式气体传感器广泛应用于石油化工、天然气管道等领域的气体监测和报警装置中。传感材料表面氧负离子与氨气之间的反应产生的电阻变化，将氨气的浓度信号转换为电信号，实现对氨气浓度的监测和分析。

3、mxene是一种新兴的基于过渡金属碳化物和氮化物的二维导电材料，其前驱体是max相。max相是一系列三元层状化合物的总称，其中m代表过渡族金属元素，a为主族元素(al等)，x为碳或氮。在max相中，x原子填充到由m原子紧密堆垛形成的八面体结构中，而a原子则位于mx的层间。由于mx产物具有“类石墨烯”的结构和性能，因此被命名为mxene。mxene具有高导电性、水分散性、大比表面积、高效的电磁干扰屏蔽能力等特性，在传感器领域正逐步取代传统的传感器材料。但以纯mxene材料作为传感材料制得的氨气传感器存在稳定性差，选择性和灵敏度低的缺陷，从而限制了其应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有的基于纯mxene材料制备的氨气传感器的稳定性差、选择性和灵敏度低的问题，提供了一种mxene基复合材料及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供一种mxene基复合材料，所述复合材料包括mxene基底和负载在所述mxene基底上的多壳层金属氧化物中空纤维。

3、优选地，所述mxene基底选自ti3c2、ti2c、nb2c、v2c、tivc、ti3cn、ti2n、nb4c3、v4c3中的至少一种，优选为ti3c2、ti2c、nb2c和v2c中的至少一种。

4、优选地，所述mxene基底是采用氢氟酸刻蚀前驱体max相得到的，其中，所述氢氟酸的质量浓度为10～40％，刻蚀时间为10～48h，刻蚀温度为10～70℃。

5、优选地，所述多壳层金属氧化物中空纤维选自氧化铁、氧化铜、氧化锌、氧化镍、氧化锡、氧化钨中的至少一种，优选为氧化铁、氧化铜和氧化钨中的至少一种。

6、优选地，所述多壳层金属氧化物中空纤维的壳层数量为n，1＜n≤4；

7、优选地，所述多壳层金属氧化物中空纤维的长度为10～2000μm。

8、优选地，所述多壳层金属氧化物中空纤维按照以下工序制备：

9、将海藻酸纤维分散在金属盐溶液中，将得到的产物洗涤、干燥，然后热处理。

10、优选地，所述干燥的温度为50～90℃。

11、优选地，所述热处理步骤中，热处理温度为400～600℃，热处理时间为1～6h，升温速率为2～7℃/min。

12、优选地，所述金属盐溶液中，金属盐选自氯化铁、氯化铜、氯化锌、氯化镍、氯化锡、氯化钨中的至少一种。

13、优选地，所述金属盐溶液中的溶剂为水和/或乙醇。

14、本发明第二方面提供一种如上所述的复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

15、(1)将多壳层金属氧化物中空纤维与活性剂的水溶液混合，然后超声处理，得到混合液；

16、(2)在40～80℃的条件下，将所述混合液和mxene混合并搅拌，得到复合材料。

17、步骤(1)中，所述活性剂与所述多壳层金属氧化物中空纤维的质量比为1～5:1。

18、优选地，步骤(1)中所述活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

19、优选地，步骤(1)中，所述超声处理的温度为0～20℃，时间为1～10h。

20、优选地，所述多壳层金属氧化物中空纤维与mxene的质量比为1：0.6～5。

21、本发明第三方面提出一种氨气传感器的制备方法，该方法包括：将传感材料涂覆在电极表面形成传感膜，其中，所述传感材料为如上所述的复合材料或如上所述的方法制得的复合材料。

22、本发明第四方面提供一种如上所述的复合材料或如上所述的方法制得的复合材料在氨气检测中的应用。

23、在本发明中，将多壳层金属氧化物中空纤维负载mxene材料上，从而提高了mxene材料的稳定性和对氨气的选择性，且mxene与金属氧化物之间丰富的异质结有利于灵敏度的提高。本发明提供的复合材料能够在室温条件下快速(≤50s)、高灵敏度(≤0.1ppm)、高选择性的检测氨气。

技术特征：

1.一种mxene基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括mxene基底和负载在所述mxene基底上的多壳层金属氧化物中空纤维。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述mxene基底选自ti3c2、ti2c、nb2c、v2c、tivc、ti3cn、ti2n、nb4c3、v4c3中的至少一种，优选为ti3c2、ti2c、nb2c和v2c中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述mxene基底是采用氢氟酸刻蚀前驱体max相得到的，其中，所述氢氟酸的质量浓度为10～40％，刻蚀时间为10～48h，刻蚀温度为10～70℃。

4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述多壳层金属氧化物中空纤维选自氧化铁、氧化铜、氧化锌、氧化镍、氧化锡、氧化钨中的至少一种，优选为氧化铁、氧化铜和氧化钨中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述多壳层金属氧化物中空纤维的壳层数量为n，1＜n≤4；

6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述多壳层金属氧化物中空纤维按照以下工序制备：

7.根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述干燥的温度为50～90℃；

8.根据权利要求6或7所述的复合材料，其特征在于，所述金属盐溶液中，金属盐选自氯化铁、氯化铜、氯化锌、氯化镍、氯化锡、氯化钨中的至少一种；

9.一种如权利要求1-8任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述活性剂与所述多壳层金属氧化物中空纤维的质量比为1～5:1；

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多壳层金属氧化物中空纤维与mxene的质量比为1：0.6～5。

12.一种氨气传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括：将传感材料涂覆在电极表面形成传感膜，其中，所述传感材料为权利要求1-8任一项所述的复合材料或权利要求9-11任一项所述的方法制得的复合材料。

13.一种如权利要求1-8任一项所述的复合材料或权利要求9-11任一项所述的方法制得的复合材料在氨气检测中的应用。

技术总结本发明涉及氨气检测领域，公开了一种MXene基复合材料及其制备方法和应用，其中，所述复合材料包括MXene基底和负载在所述MXene基底上的多壳层金属氧化物中空纤维。在本发明中，将多壳层金属氧化物中空纤维负载MXene材料上，从而提高了MXene材料的稳定性和对氨气的选择性，且MXene与金属氧化物之间丰富的异质结有利于灵敏度的提高。本发明提供的复合材料能够在室温条件下快速(≤50S)、高灵敏度(≤0.1ppm)、高选择性的检测氨气。技术研发人员：邱长坤,李庆润,安飞,冯俊杰,王浩志,朱亮受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/5