钛元素和MXene

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钛元素和MXene,第1张

副族指的是III B族到II B族的各族元素。其中钛位于IV B副族。在元素周期表中,从上到下依次是钛Ti、锆Zr、铪Hf和钅卢Rf。其中Rf是人工合成的放射性元素,本文不予介绍。

Ti在地壳中质量分数为0.56%,位列第10。自然界有钛铁矿 、金红石 、钒钛铁矿、钙钛矿 和榍石灯。Zr主要有锆英石 等。

钛族元素原子的价电子层结构为 ,常见的氧化钛为IV,此时内层 轨道电子全空。此外,钛还可以表现为 +3 的氧化态。

钛失去四个电子所形成的氧化物大多数是共价型。不过通常认为 是离子型。

二氧化钛 在常温下是白色,加热后变成浅黄色。二氧化钛是带隙宽度为 3 eV 的半导体,需要 400 nm 以下的紫外光才可以激发。二氧化钛不溶于水和稀酸,微溶于碱,属于两性氧化物。

钛酸盐有钛酸根离子 ,例如 ,具有“压电效应”等物理性质。(一眼丁真,鉴定为:不如钙钛矿)

四氟化钛、四氯化钛、四溴化钛、四碘化钛的熔点分别为284℃、-25℃、39℃、150℃。四氟化钛是离子化合物,所以熔点高。四氯化钛常温下是无色液体,易挥发,具有刺激性气味。

钛除了+4的氧化态之外,还有+3的氧化态。+3的钛因为 电子构型而具有颜色,一般是紫色。

TiN 和 TiC 都是简单立方晶体结构,TiN 有离子键倾向。

TiN 为面心立方晶体结构,由金属键、共价键和离子键混合而成,同时具有金属晶体和共价晶体的特性。其熔点高达 2955℃,属于原子晶体的范畴。TiN 在 660℃ 以上的温度中才会被明显氧化。

MAX 相相属于六方晶系,通式为 ,其中

MAX 相综合了陶瓷材料和金属材料的许多优点,包括低密度、高模量、良好的导电/导热性能、抗热震性、抗损伤容限性以及优良的抗高温氧化性能等。

在 MAX 相的基础上刻蚀去除 A 元素,可以得到通式为 的材料,这种二维材料的结构与石墨烯(Graphene)相似,故而被称为 MXene。

MXene的分类如下图所示

是最典型的 MXene 材料。

研究结果表明,Ti3C2 在 DMSO、DMF、NMP、PC、乙醇和 H2O 中都能形成稳定分散溶胶(图 1-6)。进一步对各种溶剂的性质进行总结分析,发现 Ti3C2在各种溶剂中的分散性能强烈依赖于溶剂的表面张力,Ti3C2能够在表面张力大于 40 mN/m 的溶剂中形成稳定溶胶。

mxene和石墨烯

具有不同还原程度RGO的RL。

b)具有不同N掺杂含量的RGO的RL。

c)RGO吸收剂含量不同的材料的介电常数及其对温度的依赖性

MXene是由MAX相处理得到的类石墨烯结构。MAX相的具体分子式为Mn + 1AXn( n = 1, 2 or 3),其中M指的是前几族的过渡金属,A指的是主族元素,X指的是C和/或N元素。

由于M-X具有较强的键能,A具有较活泼的化学活性,因此,可以通过刻蚀作用将A从MAX相中移除,从而得到类石墨烯的2D结构——MXene。