三維多孔類石墨烯MXene的可控制備及儲氫性能研究

《三維多孔類石墨烯MXene的可控制備及儲氫性能研究》是依託中南大學，由劉新利擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：三維多孔類石墨烯MXene的可控制備及儲氫性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉新利
• 依託單位：中南大學

項目摘要

氫能是一種可持續的綠色能源，而存儲問題是制約其發展套用的主要瓶頸。固態儲氫材料已成為氫能源研究的重點，但目前尚沒有一種材料的綜合性能能夠滿足大規模套用要求。有計算研究表明類石墨烯MXene是一類潛在的新型高性能儲氫材料，但此結果急需實驗驗證並開展深入研究。本項目擬製備一種三維多孔MXene材料，並研究其儲氫性能。具體研究內容為：首先，通過粉末冶金法製備多孔Ti3AlC2和Ti2AlC前軀體，經化學刻蝕剝離Al，實現TiCx這一典型MXene三維多孔結構的可控制備，並分析其刻蝕剝離機制；其次，研究TiCx孔結構特徵和顯微組織對其儲氫性能的影響規律，獲得“結構-儲氫性能”關係，並探討儲氫機理。研究結果有望解決多孔類石墨烯MXene的可控制備問題，獲取多孔TiCx的儲氫性能基本數據及儲氫機理，為三維多孔類石墨烯MXene在儲氫領域的實際套用提供理論和技術支撐。

結題摘要

摘要：無機多孔材料中，金屬材料的抗高溫氧化和抗腐蝕性差，陶瓷材料存在脆性和難加工性等，限制了無機多孔材料的進一步發展和套用。三元層狀化合物MN+1AXN相，其特殊的晶體結構使得材料呈現較好的彈性，具有相對低的熱膨脹係數，好的導熱和導電性，以及很好的耐腐蝕性。由MAX相剝離獲得的新型二維碳化物和氮化物層狀結構類石墨烯材料(MXene)具有獨特的形貌和優異的性能，使其在儲能、催化、氣敏、複合材料、柔性器件等領域具有良好的套用前景。本報告通過元素粉末反應合成工藝，製備出了高純度的MAX相Ti3AlC2和Ti2AlC多孔材料；探討了這兩種材料的造孔過程；並通過化學試劑刻蝕獲得了類石墨烯Ti3C2材料；探討了Ti3C2的儲氫性能、電磁禁止性能和摩擦磨損性能。本研究的主要內容和獲得的結論如下：(1)通過元素粉末反應合成工藝製備了Ti3AliC2和Ti2AlC多孔材料。製備的多孔材料形狀可控，純度可達99.0 vol.%以上，孔隙率在35%~55%範圍，孔徑在0.5 μm~25.0 μm範圍內可調控，孔隙分布窄，相互連通；(2)探討了Ti3AliC2和Ti2AlC多孔材料的物相演變和造孔過程。採用化學法刻蝕Ti3AliC2獲得二維層狀結構Ti3C2。通過氫氟酸、LiF/HCl混合液刻蝕Ti3AlC2，均能獲得Ti3C2，且其保持母體Ti3AlC2的六方結構。 (3)探討了類石墨烯Ti3C2的儲氫性能，材料吸氫量約為1.5wt.%，而放氫量幾乎為0。(4)研究了Ti3C2作為導電填料複合材料的電磁禁止性能，當複合材料中Ti3C2含量為60％時，在2 GHz電磁頻率時，電磁禁止效能值達到最高值39.1dB，且無論是在高頻還是低頻，吸收損耗約占總電磁禁止效能值的75%。(5)研究了Cu-Ti3C2複合材料的力學性能，顯示Ti3C2含量為10wt%時，材料布氏硬度值從最初的44.6增加到84.2，而其抗彎強度值在Ti3C2含量為2 wt%的時候達到最大值674 MPa。(6)研究了不同Ti3C2含量的Cu-Ti3C2複合材料在5N載荷下與300M鋼對磨的摩擦磨損性能，結果表明當Ti3C2含量為10wt%時，摩擦係數由1.02降低到0.59，但磨屑較多，磨損率為5.2×10-12m3/N·m。