2024年5月8日发(作者：俟卓君)
二维Ti3C2Tx MXene材料的制备与工艺优
化
作者：张庆萧 张昉
来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2020年第05期
Abstract：Recently，two-dimensional （2D）transition metal carbon/nitride （MXene）
material attracts much attention，especially for Ti
3
C
2
T
x
MXene -layer Ti
3
C
2
T
x
MXene
is usually obtained by etching or intercalation ingly，the purity and preparation
technology of MAX phase directly determine the physico-chemical properties of
Ti
3
C
2
T
x
，several different Ti
3
AlC
2
MAX phase materials were chosen as the precursors
and gave a series of Ti
3
C
2
T
x
MXene by using hydrofluoric acid etching technology with X-ray
diffraction （XRD），field emission scanning electron microscope （FESEM），transmission
electron microscopy （TEM），atomic force microscopy （AFM）and X-ray photoelectron
spectroscopy （XPS）.We found that Ti
3
C
2
T
x
MXene with uniform single-layer structure can be
prepared by using in-situlithium ion（Li
+
）intercalation had a flat surface with a sheet
diameter of about 150 nm and a thickness of about 2 er，a novel vortex shaking approach
was developed，which can save ultrasonic time，enhance the yield of Ti
3
C
2
T
x
MXene（up to
70%），and avoid oxidation of Ti
3
C
2
T
x
MXene.
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二维（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作为插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料為目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蚀：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二维（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作為插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料为目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蚀：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二维（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作为插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料为目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蝕：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二維（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作为插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料为目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蚀：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。
2024年5月8日发(作者：俟卓君)
二维Ti3C2Tx MXene材料的制备与工艺优
化
作者：张庆萧 张昉
来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2020年第05期
Abstract：Recently，two-dimensional （2D）transition metal carbon/nitride （MXene）
material attracts much attention，especially for Ti
3
C
2
T
x
MXene -layer Ti
3
C
2
T
x
MXene
is usually obtained by etching or intercalation ingly，the purity and preparation
technology of MAX phase directly determine the physico-chemical properties of
Ti
3
C
2
T
x
，several different Ti
3
AlC
2
MAX phase materials were chosen as the precursors
and gave a series of Ti
3
C
2
T
x
MXene by using hydrofluoric acid etching technology with X-ray
diffraction （XRD），field emission scanning electron microscope （FESEM），transmission
electron microscopy （TEM），atomic force microscopy （AFM）and X-ray photoelectron
spectroscopy （XPS）.We found that Ti
3
C
2
T
x
MXene with uniform single-layer structure can be
prepared by using in-situlithium ion（Li
+
）intercalation had a flat surface with a sheet
diameter of about 150 nm and a thickness of about 2 er，a novel vortex shaking approach
was developed，which can save ultrasonic time，enhance the yield of Ti
3
C
2
T
x
MXene（up to
70%），and avoid oxidation of Ti
3
C
2
T
x
MXene.
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二维（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作为插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料為目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蚀：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二维（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作為插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料为目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蚀：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二维（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作为插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料为目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蝕：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。
Key words：two-dimensional （2D）materials;Ti
3
C
2
T
x
MXene;single-layer;vortex shaking
0 引 言
二維（2D）过渡金属碳/氮化物（MXene）材料是当前最受关注的二维材料之一，具有优
异的导电性，良好的柔韧性、拉伸强度和抗压强度等性能
[1-2]
。此外，MXene还具有良好的亲
水性和丰富的表面基团。自2011年首次报道以来，在光热、储能、催化等领域展现出巨大的
研究前景
[3-4]
。MXene材料主要是由三元碳化物或氮化物（MAX相材料）选择性刻蚀得到的，
在MAX相材料中，其M层和X层之间的结合较强，因此可以选择性地使用氢氟酸（HF）腐
蚀其中的A层，得到MXene材料
[5]
。目前MXene材料的刻蚀已经比较成熟，已经见于文献报
道的有HF、氢氧化钠（NaOH）等刻蚀试剂
[5-7]
。最近，LI等
[8]
使用熔融的CuCl
2
也成功刻蚀
了MAX相材料。此外，为了将刻蚀得到的多层MXene材料进一步剥离成为单层的MXene材
料，开发了多种插层方法。2013年，MASHTALIR等
[6]
使用二甲基亚砜（DMSO）作为插层试
剂，成功得到了d-MXene“paper”;2014年，GHIDIU等
[9]
采用氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）作
为刻蚀试剂，同时用锂离子（Li
+
）作为插层剂，得到了“clay”状MXene材料，其电导率可达1
500 S·cm
-1
;HALIM等
[10]
还将氟化铵也用于刻蚀试剂，制备了透明的MXene薄层;2015年，
NAGUIB等
[11]
首次采用四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为插层试剂，可以将风琴状MXene材料
大规模分层。尽管有以上刻蚀和插层方案的报道，但往往存在难以重复、单层产率较低的缺
点。有鉴于此，本文作者以二维碳化钛（Ti
3
C
2
T
x
MXene）材料为目标，考察了不同的刻蚀方
案，最终筛选出了最佳的Ti
3
AlC
2
MAX相材料和锂离子插层法作为制备单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材
料的有效方案。同时采用涡旋震荡辅助材料分层，极大地缩短了超声时间，提高了单层
Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率。在不使用高浓度HF的情况下，单层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的产率可
以达到70%，接近文献74%的最高水平。实验证明，该方案制备的Ti
3
C
2
T
x
MXene材料片层较
大，具有良好的应用前景。
1 实验
1.1 试剂与药品
实验采用：Ti
3
AlC
2
（MAX相）、F-MAX为福斯曼科技（北京）有限公司的Ti
3
AlC
2
样
品，H-MAX为长春你好微纳米科技有限公司的Ti
3
AlC
2
样品，K300-MAX和K400-MAX为莱
州凯烯陶瓷材料有限公司的Ti
3
AlC
2
样品（其中300和400指材料粒径为300目和400目），
PH-MAX为上海卜汉化学技术有限公司的Ti
3
AlC
2
样品;氟化锂（LiF，质量分数为98.5%）、
浓盐酸（HCl，质量分数为36%）、氢氟酸（HF，质量分数为40%）和二甲基亚砜（DMSO，
质量分数为99.7%）购买自上海泰坦科技有限公司。
1.2 材料的制备
多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料的刻蚀：取一个洁净的聚四氟乙烯烧杯置于冰水浴的保护中，加
入20 mL HF溶液，随后为了避免初始反应过于剧烈，在20 min内逐步加入2.0 g MAX相材
料。然后在室温下搅拌72 h进行充分刻蚀，刻蚀结束后，将得到的黑色溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心5 min，舍弃上层绿色清液，底层沉淀加去离子水震荡，继续用相同的条件离心洗
涤3～6次。直至最后一次离心上清液的pH值为6～7。将最后一次离心得到的沉淀在60 ℃的
真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，即为所需要的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，标记
为M-Ti
3
C
2
T
x
。在优化过程中，分别调控了刻蚀的温度、时间以及HF与MAX相材料的比例。
有机试剂插层M-Ti
3
C
2
T
x
MXene材料：为了使多层材料进一步分层，将HF刻蚀得到的多
层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料进行插层，具体方案如下：称取1.0 g多层Ti
3
C
2
T
x
MXene材料，使用
10.0 mL的DMSO作为插层试剂，在室温下搅拌72 h进行插层。插层后的多层Ti
3
C
2
T
x
MXene
材料通过3 500 r·min
-1
的转速离心5 min，舍弃上层DMSO溶液，然后分别使用乙醇和去离子
水离心洗涤3次。将沉淀物在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜，将得到的粉末研磨收集，标记为
M-Ti
3
C
2
-DMSO。为了进一步将MXene材料分离为单层材料，称取0.5 g材料溶解在300 mL
去离子水中，在氩气（Ar）保护下进行6～9 h的超声。最后将超声后的溶液在3 500 r·min
-1
的
转速下离心60 min，收集上层液体，即为Ti
3
C
2
T
x
MXene溶液。