三维多孔类石墨烯MXene的可控制备及储氢性能研究

Hydrogen is a sustainable green energy, and the major bottleneck in the development of its application is hydrogen storage. Solid state hydrogen storage materials have become the focus of hydrogen energy research, while currently there is no hydrogen storage material which comprehensive properties can meet its high scale applications. Study shows that MXene is a class of potential new high-performance hydrogen storage materials. However, experimental data and further study are urgently necessary to verify this results. In this project, we will prepare a kind of MXene with three dimensional porous structure and study its hydrogen storage property. More specifically, first, we will prepare Ti3AlC2 and Ti2AlC porous materials as precursors using powder metallurgy, obtain three-dimensional porous graphene analogues of TiCx with controllable pore structure by etching Al from the precursors, and determine the etching mechanism. Next, the influence of micro morphology and pore structure for porous TiCx on the hydrogen storage properties will be studied, the mechanism of hydrogen storage will be explored, and the relationship between structure and hydrogen storage properties will be confirmed. Results are expected to solve the problems of controllable preparation of three-dimensional porous graphene analogues MXene, obtain basic data of hydrogen storage properties for porous TiCx and relationship of structure and hydrogen storage properties, and provide theoretical and technical support for practical application of three-dimensional porous graphene analogues MXene in the field of hydrogen energy.

氢能是一种可持续的绿色能源，而存储问题是制约其发展应用的主要瓶颈。固态储氢材料已成为氢能源研究的重点，但目前尚没有一种材料的综合性能能够满足大规模应用要求。有计算研究表明类石墨烯MXene是一类潜在的新型高性能储氢材料，但此结果急需实验验证并开展深入研究。本项目拟制备一种三维多孔MXene材料，并研究其储氢性能。具体研究内容为：首先，通过粉末冶金法制备多孔Ti3AlC2和Ti2AlC前躯体，经化学刻蚀剥离Al，实现TiCx这一典型MXene三维多孔结构的可控制备，并分析其刻蚀剥离机制；其次，研究TiCx孔结构特征和显微组织对其储氢性能的影响规律，获得“结构-储氢性能”关系，并探讨储氢机理。研究结果有望解决多孔类石墨烯MXene的可控制备问题，获取多孔TiCx的储氢性能基本数据及储氢机理，为三维多孔类石墨烯MXene在储氢领域的实际应用提供理论和技术支撑。

摘要：无机多孔材料中，金属材料的抗高温氧化和抗腐蚀性差，陶瓷材料存在脆性和难加工性等，限制了无机多孔材料的进一步发展和应用。三元层状化合物MN+1AXN相，其特殊的晶体结构使得材料呈现较好的弹性，具有相对低的热膨胀系数，好的导热和导电性，以及很好的耐腐蚀性。由MAX相剥离获得的新型二维碳化物和氮化物层状结构类石墨烯材料(MXene)具有独特的形貌和优异的性能，使其在储能、催化、气敏、复合材料、柔性器件等领域具有良好的应用前景。本报告通过元素粉末反应合成工艺，制备出了高纯度的MAX相Ti3AlC2和Ti2AlC多孔材料；探讨了这两种材料的造孔过程；并通过化学试剂刻蚀获得了类石墨烯Ti3C2材料；探讨了Ti3C2的储氢性能、电磁屏蔽性能和摩擦磨损性能。本研究的主要内容和获得的结论如下：.(1).通过元素粉末反应合成工艺制备了Ti3AliC2和Ti2AlC多孔材料。制备的多孔材料形状可控，纯度可达99.0 vol.%以上，孔隙率在35%~55%范围，孔径在0.5 μm~25.0 μm范围内可调控，孔隙分布窄，相互连通；.(2).探讨了Ti3AliC2和Ti2AlC多孔材料的物相演变和造孔过程。采用化学法刻蚀Ti3AliC2获得二维层状结构Ti3C2。通过氢氟酸、LiF/HCl混合液刻蚀Ti3AlC2，均能获得Ti3C2，且其保持母体Ti3AlC2的六方结构。 .(3).探讨了类石墨烯Ti3C2的储氢性能，材料吸氢量约为1.5wt.%，而放氢量几乎为0。.(4).研究了Ti3C2作为导电填料复合材料的电磁屏蔽性能，当复合材料中Ti3C2含量为60％时，在2 GHz电磁频率时，电磁屏蔽效能值达到最高值39.1dB，且无论是在高频还是低频，吸收损耗约占总电磁屏蔽效能值的75%。.(5).研究了Cu-Ti3C2复合材料的力学性能，显示Ti3C2含量为10wt%时，材料布氏硬度值从最初的44.6增加到84.2，而其抗弯强度值在Ti3C2含量为2 wt%的时候达到最大值674 MPa。.(6).研究了不同Ti3C2含量的Cu-Ti3C2复合材料在5N载荷下与300M钢对磨的摩擦磨损性能，结果表明当Ti3C2含量为10wt%时，摩擦系数由1.02降低到0.59，但磨屑较多，磨损率为5.2×10-12m3/N·m。