Ti3C2Tx MXene的制备及其光学特性研究开题报告

1. 研究目的与意义

自从2004年石墨烯的成功制备和表征以来，二维材料以优异的光电学性能受到人们的关注和研究。可通过选择性地蚀刻MAX相中的“A”元素得到的MXene（二维层状碳氮化物），其在研究中表现出优异的光学性能，其中Ti₃C₂作为最早制备出来的MXene材料，具有较高的稳定性、可进行灵活调控等特点，表现出独特的超宽波段、超快响应等优异特性，在光通信、光传感等光学领域展现出了优越的应用潜能。

本设计旨在采用氟盐混合刻蚀Ti₃AlC₂制备Ti₃C₂Tx MXene，其化学反应过程比常规的直接采用高浓度氢氟酸（HF）更为温和，该方法制备出的Ti₃C₂Tx塑造性能优异，且有可能制备出高质量具有相当长度的单片或者少层Ti₃C₂Tx纳米片，更适合用于后续的各种材料表征和光学特性研究。

2. 课题关键问题和重难点

Ti3C2Tx虽然具有多种优良特性，但仍存在一些缺点阻碍其目前的发展。例如，Ti3C2Tx的结构在潮湿的环境中不可避免地会坍塌，因为表面暴露的Ti原子使其容易被氧化。此外，获得Ti3C2Tx的合成方法仍然有限，通常需要使用危险的氟化试剂。为了进一步扩大Ti3C2Tx的应用领域，加快其发展步伐，研究人员将其构建成金属、金属氧化物、金属硫化物、聚合物、蛋白质和天然有机分子，结合其优点。迄今为止，对Ti3C2Tx及其杂种的研究仍处于起步阶段。因此，更新Ti3C2Tx MXene最近的研究进展和里程碑是十分必要的。本文初步综述了Ti3C2Tx MXene的原子结构、晶体相、形态和理化性质等基本原理。为MXene材料提供了机遇和挑战。旨在为Ti3C2Tx等类似MXene材料的制备和应用提供理论和技术指导。

3. 国内外研究现状（文献综述）

二维晶体材料可分为石墨烯基材料和类石墨烯材料，类石墨烯材料是指具有石墨烯结构但含有其他元素的二维原子晶体或化合物。大部分二维晶体材料可以通过化学蚀刻或者机械剥离层间结合力较弱的三维材料得到，但层间为共价键或配合键等作用力强的三维材料无法用机械剥离的方式。2011年利用氢氟酸选择性蚀刻三维的ti3alc2中的a类，得到了类似石墨烯的二维材料ti3c2，开创了mxene时代。mxene的化学是为mn 1xn,m代表早期过度金属元素，x为c 或n，n=1,2,3....。这类材料具有良好的电子、磁学和力学性质，可以应用在锂离子电池负极、复合材料的增强相、润滑材料、电子领域、储能领域等。采用tx粉末和纯异丙醇（ipa）（1 mg/ml），采用液相剥离法制备了2d mxene ti3c2tx纳米片。为了进一步纯化纳米片，将超声化的溶剂在5000 r/min下离心10 min。然后收集上清液顶层三分之一的溶剂进行进一步实验。最后，采用旋转涂层法将5 μl的mxene ti3c2tx纳米片分散体滴落在yag衬底表面。该底物的总覆盖率约为95%。3 μm的yag板仍然能保持高度的透明度和稳定理化性质因此，我们选择yag板作为sa的基底。将yag基板放置在旋转涂布机以300 r/min的速度旋转的中心，在室温下干燥。

自从石墨烯被发现以来，二维（2d）材料因其新颖的电子、光学和力学性能不同于其本体形态而引起了人们的广泛兴趣。作为第一个被鉴定的二维材料，石墨烯在各种应用中得到了深入的研究，如光调制器、超快激光生成和表面等离子体，而无间隙狄拉克锥带结构限制了其在中的应用可能性。近年来，一组新的二维材料，显示了半导体和金属相，提供了不同于有机材料的吸引非线性光学（nlo）特性的证据。例如，拓扑绝缘子（tis）、过渡金属二卤化合物（tmdcs）和黑磷（bp）是超快光纤激光模式锁的最佳材料。然而，固有的缺乏精细控制的材料和制造工艺仍然是一个挑战。开发新型的有前途的二维nlo相材料仍然是一个长期的目标。最近，mxene ，作为二维材料竞赛的一个新兴分支，已经成为电导率、高弹性模量、高电容量、可调谐带隙和高光学透明度。利用线性光学特性，ti3c2纳米材料的实验和理论研究正在迅速发展。由于其诱人的特性，mxene已成为一个新的研究热点。ti3c2的nlo性质继续引起的关注。

本研究中使用的mxene是ti3c2，它是通过从max前驱体中选择性蚀刻al而产生的。mxene粉末是用氟盐(即盐酸（盐酸）和氟化锂（氟化锂）的混合溶液，从ti3alc2（max相）在35#9702;c下蚀刻24小时。蚀刻后，超声1h得到的ti3c2薄片，在3500 rpm下离心1h。此外，制造二维材料的方法大多需要从大块层状材料中剥离，因为它们的层间范德瓦尔斯值较弱。本文通过化学剥离得到多层ti3c2纳米片。

4. 研究方案

同时，获得Ti3C2 MXene的主要策略是选择性蚀刻Ti3AlC2 MAX相铝元素层，可以获得自底而上的合成方法从原子和分子，如化学蒸汽磁控溅射和自传播高温合成（MASHS）方法。为了提高工作效率，大多数研究人员倾向于直接购买Ti3AlC2粉末，与石墨烯和二硫化钼等其他二维材料不同，由于M-A金属键[13]的存在，MAX层之间的力更强。2011年，Gogotsi等人空前报道了在50%氢氟酸（HF）水溶液中选择性蚀刻Ti3AlC2 MAX相中的Al原子可以产生Ti3C2Tx多层膜。基于半导体材料的光催化技术被认为是解决能源危机和环境污染问题的有效措施。截至目前，二氧化钛、硫化镉、ZnIn2S4和g-C3N4等半导体由于其合适的能带结构和可控的形态而得到了广泛的研究。然而，传统的单个半导体催化剂的光利用效率较低，载流子分离效率较低。支持共催化剂和建立异质结是解决上述问题的常见策略。鉴于此，Ti3C2Tx的优点包括适当的能带结构、优良的电子电导率、流行的价格和亲水表面，使其在光催化应用领域具有令人难以置信的潜力，如氢（H2）生产从水分裂、二氧化碳还原、氮（N2）固定和污染物降解。

固氮的最终目标是实现其转化为氨（氨），这对现代农业生产具有重要意义，因为氨是人工肥料中氮元素的主要来源。一般来说，N2合成氨的困难在于N2 [126]的强N：N三键能（945 kJ mol-1），由于N2还原是一个多电荷转移过程，因此必须在光催化剂表面积累多个电子。目前，Ti3C2Tx优异的导电性为其在n2还原反应中的优异性能奠定了基础。此外，Ti3C2Tx表面和边缘暴露的Ti空位和较大的比异性表面积为n2的吸附和活化提供了丰富的活性位点。2019年报道了水热法制备的0D/2DAgInS2/ti3c2z方案异质结适用于太阳能光催化n2固定。在可见光（\ 400 nm）下的光催化n2固定速率可达到38.8 lmol g-1 h-1。Ti3C2和AgInS2之间形成的z方案异质结构加速了Ti3C2表面多个电子的积累，从而实现了有效的电荷分离和迁移。此外，本研究利用DFT模拟研究了n2在Ti3C2（001）表面的吸附和活化行为。结果表明，氨对Ti3C2的最大吸附能为-5.20eV，N：N键的长度从0.1098增加到0.1334 nm，表明N：N键的长度减弱。以上结果证实了n2分子倾向于被Ti3C2激活。基于上述研究，将Ti3C2与P25二氧化钛复合，测定了光催化氨合成的性能。在全光谱光照射下，氨的产生速率未后的Ti3C2/P25样品是裸P25样品高5倍。同样，DFT计算也证实了Ti3C2可以显著提高n2的化学吸附和活化效率。此外开发了用于光催化氨合成的1D/2D硫化镉纳米棒@Ti3C2MXene复合材料，n2固定速率为293.06 lmol g-1 h-1。因此，n2对MXene材料的光固定仍处于起步阶段。MXene上的n2吸附模型以及MXene在光固氮和氨合成反应过程中的作用和机理有待更深入的研究。

5. 工作计划

通过lif和盐酸体系制备ti₃c₂tx mxene，通过对制备材料的表征结果进行分析，进一步优化制备方案，直至能够制备出性能质量优良的ti₃c₂tx mxene材料，然后通过平衡双探测器测量技术（z扫描）测出非线性吸收光学特性相关参数，对材料进行光学特性分析，并与光学器件进行结合，探究其应用效果。

表征与测试:

通过x射线衍射仪技术（xrd）的衍射图谱，获取材料的成分、材料内部原子或分子的结构等信息；通过对拉曼光谱进行分析，获得材料的晶体结构、振动以及转动等信息，以此研究其结构和物质特征；通过原子力显微镜（afm） 获得材料的表面形貌，通过观察边缘褶皱推算出层数和厚度；利用扫描电子显微镜（sem）观察材料的表面形态；通过平衡双探测器测量技术（z扫描）测出非线性吸收光学特性相关参数。