JP7579550B2 - Particulate material made of novel MXene nanosheets, dispersion containing said particulate material, and method for producing said dispersion - Google Patents
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Description
本発明は、新規なMXeneナノシートからなる粒子材料、その粒子材料を含有する分散液、及びその製造方法に関する。The present invention relates to a particulate material consisting of a novel MXene nanosheet, a dispersion containing the particulate material, and a method for producing the same.
従来から層状化合物であるTi3AlC2などのMAX相セラミックス粉末から酸処理によりAlを除去して得られるMXene層状化合物からなる粒子材料(本明細書では適宜「MXene粒子材料」と称したり、「MXeneナノシート」と称したり、「層状化合物粒子材料」と称したり、単に「粒子材料」と称したりすることがある。)が知られている(特許文献1、2、3、4)。これらのMXene層状化合物は、Al層が除去された空隙層にNaイオンやLiイオンが貯蔵/脱離可能であることから二次電池(蓄電池)やキャパシターの負極活物質材料、また導電性が優れていることから電磁波シールド薄膜や導電薄膜などへの応用が期待されている。
Particle materials made of MXene layered compounds obtained by removing Al from MAX phase ceramic powder such as Ti3AlC2 , a layered compound, by acid treatment (hereinafter, these may be referred to as "MXene particle materials", "MXene nanosheets", "layered compound particle materials", or simply "particle materials") have been known (
MAX相セラミックスは層状化合物であり、一般式はMn+1AXnと表される。式中のMは遷移金属(Ti、Sc、Cr、Zr、Nbなど)、AはAグループ元素、XはCか、[C(1.0-x)Nx(0<x≦1.0)]、nは1から3、で構成されている。 MAX phase ceramics are layered compounds with the general formula Mn + 1AXn , where M is a transition metal (Ti, Sc, Cr, Zr, Nb, etc.), A is an A group element, X is C or [C (1.0-x) Nx (0<x≦1.0)], and n is 1 to 3.
その中、AをAlとした時、M-Xとの結合よりもM-Aの結合が弱いため、酸処理で選択的にAl層が除去される。本発明者らは、微小サイズのビーズを用いたビーズミルにより薄膜化して、MXeneナノシートを調製する方法を提案している(特許文献5、6)。Among them, when A is Al, the bond between M-A is weaker than the bond with M-X, so the Al layer is selectively removed by acid treatment. The inventors have proposed a method to prepare MXene nanosheets by thinning the film using a bead mill with micro-sized beads (
特許文献5、6の方法によれば、エタノール、又はイソプロパノール(IPA)中で10μm~300μmのビーズによるビーズミル処理で剥離することにより、厚みの平均値 3.5 nm~20 nm、大きさの平均値 0.05 μm~0.3μmであるMXene粒子材料が、遠心分離による未剥離部分を除去することなく得られることが開示されている。According to the methods of
ここで、特許文献5、6の方法でも十分に薄く且つ大きな粒子が得られてはいるものの、更に薄く(例えば単層レベルまで)剥離することや、更に大きなナノシート状の粒子材料を得ることを目指して本発明者らは更なる検討を行った。薄くて大きなナノシート状の粒子材料を基板に積層かつ稠密に並べれば極めて薄い導電薄膜や電磁波シールド薄膜を作製可能となる。例えば金属のメッキや金属粒子インクを用いた薄膜は粒状であるため、電磁波などの侵入に対しその隙間から電磁波が侵入してしまう。本発明の粒子材料で、C軸に配向、積層された、稠密な薄膜を作製すると、C軸方向から電磁波が侵入することになり、確実に電磁波がMXeneを通過することになるため、有効な電磁波シールド薄膜となりうる。この場合、金属のメッキあるいは金属粒子インクを用いた薄膜の上にMXene薄膜を形成させてもよい。あるいは金属粒子を分散させた有機物フィルムの上にMXene薄膜を形成させてもよい。Here, although the methods of
また、得られたMXene単層レベルまで剥離したナノシート粒子材料は、そのままでは酸化されやすいため、工業的に応用するためには長寿命化を図ることが望まれた。 In addition, the nanosheet particle material obtained, exfoliated to the MXene monolayer level, is easily oxidized if left as is, so it was desirable to extend its lifespan for industrial application.
本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、新規なMXeneナノシートからなる粒子材料、その粒子材料を含有する分散液、及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とする。The present invention was completed in consideration of the above-mentioned situation, and the problem to be solved is to provide a particulate material consisting of a novel MXene nanosheet, a dispersion containing this particulate material, and a method for producing the same.
上記課題を解決する本発明の粒子材料は、平均厚さ1.0~3.5nm、平均大きさ1.5~2.0μmであり、(002)面の層間距離が1.350nm~1.400nmであるTi3Ala(CxN1-x)2、x=0.97~0.70、aが0.02超、で構成されるMXeneナノシート材料を有する粒子材料である。 The particulate material of the present invention that solves the above problems is a particulate material having an MXene nanosheet material composed of Ti3Ala ( CxN1 -x ) 2 , x=0.97-0.70, a greater than 0.02, having an average thickness of 1.0-3.5 nm, an average size of 1.5-2.0 μm, and an interlayer distance of the (002) plane of 1.350 nm-1.400 nm.
上記課題を解決する本発明の分散液は、前述の粒子材料と、前記粒子材料を0.1質量%~0.4質量%で分散し、ジメチルスルホキシド(DMSO)を50質量%以上含有する分散媒とを有する分散液である。ジメチルスルホキシド(DMSO)を100質量%含有することがより好ましい。The dispersion of the present invention, which solves the above-mentioned problems, is a dispersion having the above-mentioned particulate material and a dispersion medium in which the particulate material is dispersed at 0.1% by mass to 0.4% by mass and which contains 50% by mass or more of dimethyl sulfoxide (DMSO). It is more preferable that the dispersion medium contains 100% by mass of dimethyl sulfoxide (DMSO).
上記課題を解決する本発明の粒子材料の製造方法は、10μm~300μmのビーズを用いたビーズミルにおいて、水を50質量%以上含有する分散媒と、粒子濃度10.0mg/mL~20.0mg/mLで前記分散媒に分散されたMXeneとの混合物に対して層間に微小ビーズを衝突させることで、前記MXeneを剥離して剥離物を形成する剥離工程を有するMXeneナノシートからなる粒子材料の製造方法である。特に前記分散媒は、水を80質量%以上含有することが好ましい。水を100質量%含有することがさらに好ましい。The method for producing a particulate material of the present invention, which solves the above problems, is a method for producing a particulate material consisting of MXene nanosheets, which includes a peeling step in which, in a bead mill using beads of 10 μm to 300 μm, a mixture of a dispersion medium containing 50% by mass or more of water and MXene dispersed in the dispersion medium at a particle concentration of 10.0 mg/mL to 20.0 mg/mL is collided with microbeads between layers to peel off the MXene and form an exfoliated product. In particular, it is preferable that the dispersion medium contains 80% by mass or more of water. It is even more preferable that it contains 100% by mass of water.
本発明の粒子材料は、上記構成を有することにより厚みが小さく大きなMXeneからなる粒子材料を提供する。更に、本発明の分散液は、上記構成を有することにより、非常に安定した状態でMXeneからなる粒子材料を保持することができる。本発明の粒子材料の製造方法は、上記構成を有することにより、厚みが小さく大きなMXeneからなる粒子材料を得ることができる。The particulate material of the present invention has the above-mentioned configuration, thereby providing a particulate material made of large MXene with a small thickness. Furthermore, the dispersion of the present invention has the above-mentioned configuration, thereby being able to hold particulate material made of MXene in a very stable state. The method for producing the particulate material of the present invention has the above-mentioned configuration, thereby being able to obtain a particulate material made of large MXene with a small thickness.
本発明の粒子材料及びその製造方法並びに分散液について実施形態に基づいて以下に詳細に説明を行う。本実施形態の粒子材料は、厚みが小さく大きさが大きいMXeneからなる粒子材料であり、導電性を示すなどの電気的特性に優れている。粒子材料の厚みが小さく、大きいことから、C軸配向、積層させた稠密で且つ導電性の薄膜を形成することができる。得られる薄膜は、導電薄膜、電磁波シールド薄膜などとして応用可能である。基板に金属のメッキをした上、あるいは金属粒子インクで作製した薄膜の上に、あるいは金属粒子を分散させた有機物フィルムの上に、MXene薄膜を形成させることもできる。
(粒子材料)
本実施形態の粒子材料は、電磁波シールド薄膜や導電薄膜材料などへの応用のために大きくて薄片化されたMXeneからなる粒子材料である。MXeneを薄片化した粒子材料は、粉末状層状化合物であるMXeneを剥離することにより得られる。
The particulate material of the present invention, its manufacturing method, and dispersion liquid are described in detail below based on the embodiments. The particulate material of the present embodiment is a particulate material made of MXene, which is small in thickness and large in size, and has excellent electrical properties such as electrical conductivity. Since the particulate material is small in thickness and large in size, a C-axis oriented, laminated, dense, and conductive thin film can be formed. The obtained thin film can be used as a conductive thin film, an electromagnetic wave shielding thin film, and the like. The MXene thin film can also be formed on a metal-plated substrate, on a thin film made of a metal particle ink, or on an organic film in which metal particles are dispersed.
(Particulate material)
The particulate material of this embodiment is a particulate material made of large, thin-flaked MXene for application to electromagnetic wave shielding thin films, conductive thin film materials, etc. The particulate material made of thin-flaked MXene is obtained by exfoliating MXene, which is a powdered layered compound.
本明細書において、あるパラメータに上限値と下限値をそれぞれ複数設定した場合には特に制限しない限りはそれらの上限値と下限値とを任意に組み合わせることができる。本実施形態の粒子材料は、板状、葉状、薄片状、シート状などである。総称してシート状と呼ぶ。In this specification, when multiple upper and lower limit values are set for a parameter, the upper and lower limit values can be combined in any way unless otherwise specified. The particulate material in this embodiment is plate-shaped, leaf-shaped, flake-shaped, sheet-shaped, etc. Collectively, they are called sheet-shaped.
本実施形態の粒子材料は、チタン3層と炭素2層から成る層状化合物、あるいは炭素の一部を窒素に置き換えた層状化合物であるMXeneである。組成式Ti3Ala(CxN1-x)2により表されるMXeneからなる粒子材料である。ここで、x=0.97~0.70、aが0.02超である。aの上限としては0.05であることが好ましい。(以下 適宜「MXene」と称する)。また、これらの元素以外にもO、OH、ハロゲン基を表面官能基として有することができる。 The particulate material of this embodiment is MXene, a layered compound consisting of three layers of titanium and two layers of carbon, or a layered compound in which part of the carbon is replaced with nitrogen. The particulate material is made of MXene , which is represented by the composition formula Ti3Ala ( CxN1 -x ) 2 . Here, x=0.97-0.70, and a is greater than 0.02. The upper limit of a is preferably 0.05. (Hereinafter, this will be referred to as "MXene" where appropriate). In addition to these elements, O, OH, and halogen groups can be present as surface functional groups.
粒子材料を構成するMXeneは、層状化合物の層の積層方向を「厚み」とし、その厚みと直交する方向を「シートの拡がり方向」とし、この方向で測定した値が本実施形態の粒子材料の大きさである。 The MXene that constitutes the particulate material has a "thickness" in the direction in which the layers of the layered compound are stacked, and a direction perpendicular to that thickness is the "sheet spread direction," and the value measured in this direction is the size of the particulate material of this embodiment.
MXeneの厚みは、親水化したSiウエハーにMXeneを滴下しAFM分析で測定できる。平均厚さが1.0~3.5nmであり、特に1.50~2.00nmであることが好ましい。平均厚さは、ランダムに選択された100個の粒子について測定した値の平均値として算出する。ナノシートの大きさは、親水化したSiウエハーにMXeneを滴下しSEM観察することにより測定できる。ナノシートの拡がり方向の平均の大きさが1.5~2.0μmであり、特に1.50~1.70μmであることが好ましい。厚みと直交する方向における最大値を「長辺」最小値を「短辺」とした場合に、ランダムに選択された100個の粒子についてSEMにより測定した、[(長辺+短辺)/2]の平均値を拡がり方向の平均の大きさとする。The thickness of MXene can be measured by dropping MXene onto a hydrophilized Si wafer and performing AFM analysis. The average thickness is 1.0-3.5 nm, and preferably 1.50-2.00 nm. The average thickness is calculated as the average of the values measured for 100 randomly selected particles. The size of the nanosheet can be measured by dropping MXene onto a hydrophilized Si wafer and observing it with an SEM. The average size in the spreading direction of the nanosheet is 1.5-2.0 μm, and preferably 1.50-1.70 μm. If the maximum value in the direction perpendicular to the thickness is the "long side" and the minimum value is the "short side," the average value of [(long side + short side)/2] measured by SEM for 100 randomly selected particles is taken as the average size in the spreading direction.
MXeneの(002)面の層間距離はX線回折分析で測定することができ、1.350nm~1.400nmであることが好ましい。1.350nmから1.370nmであることがさらに好ましい。The interlayer distance of the (002) plane of MXene can be measured by X-ray diffraction analysis and is preferably 1.350 nm to 1.400 nm, and more preferably 1.350 nm to 1.370 nm.
MXeneの水中pH6からpH8におけるゼーター電位は、-29.0mVから-34.0mVの範囲であることが好ましい。
(粒子材料の製造方法)
本実施形態の粒子材料の製造方法は、剥離工程とその他必要な工程とを有する。
・剥離工程
剥離工程は、層状のTi3Ala(CxN1-x)2 、x=0.97~0.70、aが0.02超である MXeneに対して分散媒中において微小ビーズを層間に衝突させることにより剥離させてシート状の剥離物を得る工程である。得られた剥離物は、分散媒に懸濁した剥離物懸濁液になる。この剥離物懸濁液をそのまま混合工程に供したり、分散媒を除去して混合工程に供したりできる。材料となる層状のMXeneを得る方法としては特に限定しないが、以下の方法が例示できる。
The zeta potential of MXene in water at
(Method of Manufacturing Particulate Material)
The method for producing a particulate material of this embodiment includes a peeling step and other necessary steps.
- Exfoliation process The exfoliation process is a process in which layered MXene ( Ti3Ala ( CxN1 -x ) 2 , x=0.97-0.70, a>0.02) is exfoliated by colliding microbeads between the layers in a dispersion medium to obtain sheet-like exfoliated material. The obtained exfoliated material becomes an exfoliated material suspension suspended in a dispersion medium. This exfoliated material suspension can be directly subjected to the mixing process, or the dispersion medium can be removed before being subjected to the mixing process. There is no particular limitation on the method for obtaining layered MXene as the material, but the following methods can be exemplified.
Ti3Ala(CxN1-x)2 、x=0.97~0.70、aが0.02超である MXeneはTi3層のMAX相セラミックス粉末からなる原料を酸処理してAl層を一部溶解して得られる。MXeneを製造する方法の一例を前処理工程として後述する。剥離工程に供される原料は、前述の粒子材料を構成する材料と同じ組成のものが採用できる。剥離工程では組成は概ね変化しない。 Ti3Ala ( CxN1 -x ) 2 , x=0.97-0.70, a is greater than 0.02. MXene is obtained by acid-treating a raw material consisting of Ti3-layer MAX phase ceramic powder to partially dissolve the Al layer. An example of a method for producing MXene is described later as a pretreatment process. The raw material used in the peeling process can have the same composition as the material constituting the particle material described above. The composition does not change much during the peeling process.
この粒子材料を酸処理によってAlの一部を溶解し、MXeneとし、そのMXeneを用いて、水を主成分とする溶媒中に混合して混合物とした後、10μmから300μmのビーズを用いて高速回転を行うビーズミル処理する剥離工程によりシート状のMXeneの剥離物が懸濁する剥離物懸濁液が得られる。This particulate material is treated with acid to dissolve some of the Al, turning it into MXene. This MXene is then mixed into a solvent whose main component is water to form a mixture, after which a peeling process is carried out in a bead mill that rotates at high speed using beads of 10 μm to 300 μm, resulting in a suspension of exfoliated material in the form of sheets of MXene suspended in the material.
剥離工程を行う分散媒は、水を50質量%以上含有する以外は特に限定しないが、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール、メチルエチルケトン、アセトンなのケトン類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどを含有することもできる。特に水の含有量の下限値としては、60質量%、70質量%、80質量%、90質量%、100質量%が挙げられる。The dispersion medium used in the peeling process is not particularly limited except that it contains 50% or more by mass of water, but may also contain alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol, ketones such as methyl ethyl ketone and acetone, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, etc. In particular, the lower limit of the water content may be 60% by mass, 70% by mass, 80% by mass, 90% by mass, or 100% by mass.
剥離工程を行う混合物中のMXeneの濃度は特に限定しないが、10.0mg/mL~20.0mg/mL程度にすることができる。混合液の液性については特に限定しないが、pHを6.0~8.0程度にすることができる。The concentration of MXene in the mixture used in the peeling process is not particularly limited, but can be about 10.0 mg/mL to 20.0 mg/mL. The liquid properties of the mixture are not particularly limited, but the pH can be about 6.0 to 8.0.
剥離工程における具体的なビーズミル処理について説明する。遠心分離で微小なビーズとスラリー状の混合物を分級する機構を具備したビーズミルで剥離することが可能となる。ビーズミル処理により剥離した剥離物は、剥離前の混合物から遠心分離により随時分離でき、最終的には全てのMXeneを剥離物にすることもできる。 The specific bead mill processing in the peeling process is explained below. Peeling is possible with a bead mill equipped with a mechanism for classifying the mixture of tiny beads and slurry by centrifugation. The peeled material peeled by bead mill processing can be separated at any time from the mixture before peeling by centrifugation, and ultimately all of the MXene can be made into the peeled material.
例えばビーズの大きさの下限は、10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、上限を300μm、200μm、100μmにすることができる。10μm以上であるとビーズとスラリーの分級が容易である。300μm以下のビーズを用いると粒子材料のサイズを小さくするよりも、剥離を優先して進行させることができる。これらの下限及び上限は任意に組み合わせて採用することができる。ビーズの大きさが適正な範囲であると付与するエネルギーが大きくでき、且つ、剥離を優先して進行できるため、50μm~100μmのビーズを採用することが最も好ましい。For example, the lower limit of the bead size can be 10 μm, 15 μm, 20 μm, 30 μm, or 40 μm, and the upper limit can be 300 μm, 200 μm, or 100 μm. If the size is 10 μm or more, it is easy to classify the beads and slurry. If beads of 300 μm or less are used, peeling can be prioritized over reducing the size of the particulate material. These lower and upper limits can be used in any combination. If the bead size is in the appropriate range, the energy applied can be large and peeling can be prioritized, so it is most preferable to use beads of 50 μm to 100 μm.
ビーズの材質は特に限定しないが、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミックスが採用できる。特に破壊靭性が大きい部分安定化ジルコニアが好ましい。一方、300μm超のビーズを用いる微小サイズの隙間でビーズとスラリーを分級させる一般的に用いられるビーズミルによると、粒子材料のサイズを小さくすることが、剥離に優先して進行する。また、300μm超のビーズやボールを用いた遊星ボールミルなどのボールミルによっても、粒子材料のサイズを小さくすることが剥離に優先する。結果として、一部しか剥離させることができず、一部の剥離したMXeneを分級採取する必要が生じ、産業に利用可能な剥離したMXene粒子材料を得ることができない。特に遊星ボールミルを用いると、表面酸化が進行しMXeneには適さず、検討もされていないのが実際である。一方、従来からMXeneの剥離手法として用いられている溶媒に超音波を照射する方法については、溶媒に超音波を照射するとキャビテーションが発生し、その圧壊により粉体どうしが衝突するメカニズムで層状化合物を構成する層の剥離が進行する。しかしながら、キャビテーションの発生が起きやすい水を用いたとしても、剥離が進行するのはほんの一部のみである。遠心分離による分級によって一部のMXeneナノシートの一部を採取する方法で作製されており、産業で利用できるレベルとは言えなかった。The material of the beads is not particularly limited, but ceramics such as zirconia, alumina, and silicon nitride can be used. Partially stabilized zirconia, which has high fracture toughness, is particularly preferred. On the other hand, with a commonly used bead mill that classifies beads and slurry in a micro-sized gap using beads of more than 300 μm, reducing the size of the particulate material takes precedence over peeling. Also, with a ball mill such as a planetary ball mill using beads and balls of more than 300 μm, reducing the size of the particulate material takes precedence over peeling. As a result, only a portion can be peeled off, and it becomes necessary to classify and collect some of the peeled MXene, and it is not possible to obtain peeled MXene particulate material that can be used in industry. In particular, when a planetary ball mill is used, surface oxidation progresses, making it unsuitable for MXene, and in fact it has not been considered. On the other hand, with regard to the method of irradiating ultrasonic waves to a solvent, which has been used conventionally as a method of peeling MXene, cavitation occurs when ultrasonic waves are irradiated to the solvent, and the peeling of the layers that make up the layered compound progresses through a mechanism in which the powders collide with each other due to the crushing. However, even when water, which is prone to cavitation, was used, only a small portion of the MXene nanosheets were peeled off. The nanosheets were produced by a method in which only a portion of the MXene nanosheets was extracted by classification using centrifugation, which was not at a level suitable for industrial use.
剥離工程における周速は、6m/sec~12m/secの周速が採用できる。8m/sec~10m/secの周速が好ましい。6m/sec以上であると剥離効率が良く、12m/sec以下であると付与する過大なエネルギー付与が抑制され、得られる粒子材料の温度上昇が抑制できるため、得られる粒子材料の表面における酸化の進行が抑制でき、電気抵抗を低くできる。スラリー送り速度は100mL/分から300mL/分が採用できる。スラリー粒子濃度は20.0mg/mL~10.0mg/mLが採用できる。17.0mg/mL~10.0mg/mLとするとより好ましい。15.0mg/mL~10.0mg/mLとすると更に好ましい。The peripheral speed in the peeling process can be 6 m/sec to 12 m/sec. A peripheral speed of 8 m/sec to 10 m/sec is preferable. A peripheral speed of 6 m/sec or more provides good peeling efficiency, while a speed of 12 m/sec or less suppresses the application of excessive energy and the temperature rise of the resulting particulate material, thereby suppressing the progression of oxidation on the surface of the resulting particulate material and reducing electrical resistance. The slurry feed rate can be 100 mL/min to 300 mL/min. The slurry particle concentration can be 20.0 mg/mL to 10.0 mg/mL. A concentration of 17.0 mg/mL to 10.0 mg/mL is more preferable. A concentration of 15.0 mg/mL to 10.0 mg/mL is even more preferable.
20.0mg/mL以下の条件によると剥離が充分に進行でき、遠心分離などで分級することにより薄片状の粒子材料を選択する必要が低くなるため好ましい。さらに、スラリーの液中粒子径を小さく保つことが可能になる。10.0mg/mL以上にすると剥離の効率が良くなる。A concentration of 20.0 mg/mL or less is preferable because it allows sufficient peeling and reduces the need to select flaky particulate material by classification using centrifugation or other methods. In addition, it makes it possible to keep the particle size of the slurry small. A concentration of 10.0 mg/mL or more improves the efficiency of peeling.
スラリー温度は35℃以下の温度範囲が好ましい。35℃以下にすると表面酸化が抑制でき、粒子材料の電気抵抗を低く保つことができる。The slurry temperature is preferably in the range of 35°C or less. Keeping it below 35°C can suppress surface oxidation and keep the electrical resistance of the particulate material low.
ビーズの充填量は40体積%~80体積%が採用できる。40体積%以上にすると剥離の効率が良くなり、80体積%以下にするとビーズとスラリーの分級が容易となる。目的の薄片状の粒子を多く含む粒子材料が製造されたかどうかは、SEM、TEMなどの観察によって判断できる。特に粒子材料の厚みについてはAFM分析することによって判断できる。剥離工程で得られた粒子材料は、必要に応じて遠心分離などの方法によって分級して使用することも可能である。剥離工程における最適な条件については、装置の大きさによって変化するので、これらの数値は限定されるものではない。 The bead filling amount can be between 40% and 80% by volume. A filling amount of 40% by volume or more improves the efficiency of peeling, while a filling amount of 80% by volume or less makes it easier to classify the beads and slurry. Whether or not a particulate material containing a large amount of the desired flaky particles has been produced can be determined by observation with a SEM, TEM, etc. In particular, the thickness of the particulate material can be determined by AFM analysis. The particulate material obtained in the peeling process can be classified by a method such as centrifugation before use, if necessary. The optimal conditions for the peeling process vary depending on the size of the equipment, so these values are not limited.
ビーズミル処理によりMXeneが全て剥離物になるようにすることが好ましい。MXeneが全て剥離物になる条件で剥離工程を完了すると、剥離していないMXeneを除去することなくそのまま用いることが可能になる。剥離物以外のMXeneを除去する場合には、遠心分離、濾過などにより分離することができる。It is preferable that all of the MXene is exfoliated by bead milling. If the exfoliation process is completed under conditions where all of the MXene is exfoliated, it becomes possible to use the product as is without removing the unexfoliated MXene. If MXene other than the exfoliated product is to be removed, it can be separated by centrifugation, filtration, etc.
炭素サイトの一部を窒素に置き換えたMXene は水中でOH基が吸着しやすくなり層間の結合力が弱まる。そのため置き換える窒素量を変えることにより、得られるMXeneの厚さと大きさを制御できる。Ti3Ala(CxN1-x)2 、x=0.97~0.70、aが0.02超とすることにより、薄くて大きなナノシートが得られる。Xについて、0.85~0.70とすることがさらに好ましい。0.80から0.70とするとさらに好ましい。いずれもaは0.02超である。 MXene in which some of the carbon sites are replaced with nitrogen is more susceptible to OH group adsorption in water, weakening the interlayer bonding force. Therefore, by changing the amount of nitrogen substituted, the thickness and size of the resulting MXene can be controlled. Thin and large nanosheets can be obtained by setting Ti3Ala ( CxN1 -x ) 2 , x=0.97-0.70, a greater than 0.02. It is more preferable to set x to 0.85-0.70. It is even more preferable to set x to 0.80 to 0.70. In all cases, a is greater than 0.02.
前処理工程に供する原料は、Ti3Ala(CxN1-x)2 、x=0.97~0.70、aが1.00で表される組成を有するMAX相セラミックス粉末である。さらに、Alを除去する量は酸性物質により酸処理されて製造されるMAX相セラミックス粉末中のAlの量(xに相当)が0.02超になる程度に残存するように調節する。なお、Alを全部除去することも可能であり、その場合にはAlを除去する以上にまで酸処理を進めないことが好ましい。 The raw material used in the pretreatment step is a MAX phase ceramic powder having a composition represented by Ti3Ala ( CxN1 -x ) 2 , where x=0.97-0.70 and a is 1.00. Furthermore, the amount of Al to be removed is adjusted so that the amount of Al (corresponding to x) remaining in the MAX phase ceramic powder produced by acid treatment with an acidic substance exceeds 0.02. It is also possible to remove all of the Al, and in that case, it is preferable not to proceed with the acid treatment beyond the removal of the Al.
除去されるAlの量は、酸性物質(酸水溶液など)と接触する時間(長くすると除去される量が増加する)、酸性物質の濃度(濃度が高い方が除去される量が増加する)、酸性物質の量(酸性物質の絶対量が多い方が除去され得る量を多くできる)、接触させる温度(温度が高い方が除去される量が増加する)を変化させることで調節できる。The amount of Al removed can be adjusted by changing the contact time with the acidic substance (such as an aqueous acid solution) (the longer the contact time, the greater the amount removed), the concentration of the acidic substance (the higher the concentration, the greater the amount removed), the amount of acidic substance (the greater the absolute amount of acidic substance, the greater the amount that can be removed), and the contact temperature (the higher the temperature, the greater the amount removed).
層状化合物であるMAX相セラミックス粉末(A元素がAl)に対して、酸処理を行うことによりAlの一部を除去して粒子材料を構成する空隙層を有する層状化合物とする。Al層の一部を除去するための酸としてはフッ酸と塩酸との組み合わせた酸性物質を採用する。フッ酸と塩酸との組み合わせを実現するためにはフッ酸の塩(KF、LiFなど)と塩酸とを混合してフッ酸と塩酸との混合物を得ることが好ましい。 MAX phase ceramic powder (A element is Al), which is a layered compound, is subjected to acid treatment to remove part of the Al, resulting in a layered compound having a void layer that constitutes the particle material. As the acid for removing part of the Al layer, an acidic substance combining hydrofluoric acid and hydrochloric acid is used. In order to realize the combination of hydrofluoric acid and hydrochloric acid, it is preferable to mix a salt of hydrofluoric acid (KF, LiF, etc.) with hydrochloric acid to obtain a mixture of hydrofluoric acid and hydrochloric acid.
特に酸性物質としてはこれらの酸の水溶液を採用する。フッ化塩が完全に解離したと仮定した時に形成されるフッ酸と塩酸との混合濃度としては特に限定しない。フッ酸の濃度としては下限が1.7mol/L、2.0mol/L、2.3mol/L、上限が2.5mol/L、2.6mol/L、2.7mol/L程度にすることができる。塩酸の濃度としては下限が2.0mol/L、3.0mol/L、4.0mol/L、上限が13.0mol/L、14.0mol/L、15.0mol/L程度にすることができる。In particular, aqueous solutions of these acids are used as the acidic substances. There are no particular limitations on the mixed concentration of hydrofluoric acid and hydrochloric acid formed when it is assumed that the fluoride salt is completely dissociated. The lower limit of the hydrofluoric acid concentration can be about 1.7 mol/L, 2.0 mol/L, or 2.3 mol/L, and the upper limit can be about 2.5 mol/L, 2.6 mol/L, or 2.7 mol/L. The lower limit of the hydrochloric acid concentration can be about 2.0 mol/L, 3.0 mol/L, or 4.0 mol/L, and the upper limit can be about 13.0 mol/L, 14.0 mol/L, or 15.0 mol/L.
フッ化塩が完全に解離したと仮定した時に形成されるフッ酸と塩酸との混合比(モル比)についても特に限定しないが、フッ酸の下限として、1:13、1:12、1:11、上限として1:5、1:6、1:7程度を採用することができる。ここで示したフッ酸及び塩酸濃度、混合比についてはそれぞれ任意に組み合わせて採用することができる。酸処理温度については、10℃から30℃が好ましい。10℃から20℃がさらに好ましい。There is no particular limitation on the mixing ratio (molar ratio) of hydrofluoric acid and hydrochloric acid formed when the fluoride salt is assumed to be completely dissociated, but the lower limit of hydrofluoric acid may be 1:13, 1:12, or 1:11, and the upper limit may be about 1:5, 1:6, or 1:7. The concentrations and mixing ratios of hydrofluoric acid and hydrochloric acid shown here may be combined in any desired manner. The acid treatment temperature is preferably 10°C to 30°C. More preferably, it is 10°C to 20°C.
得られたMXeneナノシート粒子材料について、水中pH6からpH8のゼーター電位を測定した。Ti3Ala(CxN1-x)2 において、X=0.97で-29.0mV、X=0.95で-31.5mV、X=0.90で-32.1mV、X=0.85で-32.4mV、X=0.75で-33.1mV、X=0.70でー34.0mVであった。一方、X=1.00でー28.9mV、X=0.65でー34.5mVであった。水中pH6からpH8のゼーター電位は全てマイナスであり、水中における酸処理、及び水中で微小サイズのビーズミル処理で「OHやハロゲンなどの親水性官能基が吸着し、ゼーター電位の絶対値が大きいことは、より多くの親水性官能基が吸着したことを意味する。あまりにゼーター電位の絶対値が大きくなると付与する物理的作用力で粉々に粉砕してしまう。ゼーター電位の絶対値の大きさを29.0から34.0とすることにより薄くて大きなMXeneナノシートが形成されることが分かった。
The zeta potential of the obtained MXene nanosheet particle material was measured in water at
MXeneナノシートの化学組成については、Ti、Al、C、Nのatom%を用いて、Tiを3とした時のAl、C、N量を算出した。化学分析は、試料を白金皿にはかりとり、硝酸+硫酸+フッ化水素酸を加えて、加熱(120℃程度)して溶解後、さらに高温(300℃)で加熱して硝酸とフッ化水素酸を飛ばして試料溶液(硫酸)を作製し、作製した試料溶液を適宜希釈してICPで定量分析を行った。
(分散液)
本実施形態の分散液は、本実施形態の粒子材料を分散媒中に分散させたものである。分散液中に分散された粒子材料は、酸化されやすいMXeneであり、通常は安定的に存在できないが、本実施形態では長期間安定して存在できる。そのために分散液の状態で長期間保存することが可能になり、MXeneの応用分野を飛躍的に広げることが可能になる。この分散液を適正な基材上に塗布して乾燥することで、基材上にMXeneからなる導電薄膜、及び電磁波シールド薄膜を形成することが可能になる。その他、MXeneを利用する場合に応用することが可能である。
The chemical composition of the MXene nanosheets was calculated by using the atomic percentages of Ti, Al, C, and N, with Ti taken as 3, to calculate the amounts of Al, C, and N. For chemical analysis, the sample was weighed onto a platinum dish, nitric acid + sulfuric acid + hydrofluoric acid were added, and the sample was dissolved by heating (to about 120°C), and then heated at a higher temperature (300°C) to evaporate the nitric acid and hydrofluoric acid to prepare a sample solution (sulfuric acid). The sample solution was then appropriately diluted and quantitatively analyzed by ICP.
(Dispersion)
The dispersion of this embodiment is a dispersion of the particulate material of this embodiment in a dispersion medium. The particulate material dispersed in the dispersion is MXene, which is easily oxidized and cannot normally exist stably, but in this embodiment, it can exist stably for a long period of time. This makes it possible to store MXene in the form of a dispersion for a long period of time, making it possible to dramatically expand the application fields of MXene. By applying this dispersion to an appropriate substrate and drying it, it becomes possible to form a conductive thin film and an electromagnetic wave shielding thin film made of MXene on the substrate. It can also be applied when using MXene.
分散媒としてはジメチルスルホキシドを50質量%以上含有するものであり、特に含有量の下限値としては、60質量%、70質量%、80質量%、90質量%、95質量%、100質量%が挙げられ、ジメチルスルホキシドの含有量が多い方が好ましく、特にジメチルスルホキシド以外の分散媒を含有しないことが好ましい。ジメチルスルホキシド以外に含有可能な分散媒の組成としては、特に限定しないが、親水性の性質をもつものが含有されていることが好ましい。例えばエタノール、及びイソプロピルアルコールを含有することができる。ジメチルスルホキシドの含有量は分散媒全体の質量を基準として50質量%以上にすることができ、80質量%以上、90質量%以上にすることが好ましい。100質量%とすることがさらに好ましい。例えば水を含有しないことができる。水の含有量は分散媒全体の質量を基準として5質量%以下にすることができ、2質量%以下、1質量%以下にすることが好ましい。水が共存するとMXeneナノシート粒子材料の表面酸化が進行し導電性が劣化する。本実施形態の分散液中の粒子材料の濃度は、を0.1質量%~0.4質量%である。The dispersion medium contains 50% or more by mass of dimethyl sulfoxide, and the lower limit of the content is 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, or 100% by mass. The higher the content of dimethyl sulfoxide, the more preferable it is. In particular, it is preferable that no dispersion medium other than dimethyl sulfoxide is contained. The composition of the dispersion medium that can be contained other than dimethyl sulfoxide is not particularly limited, but it is preferable that it contains a hydrophilic material. For example, ethanol and isopropyl alcohol can be contained. The content of dimethyl sulfoxide can be 50% by mass or more based on the mass of the entire dispersion medium, and is preferably 80% by mass or more, or 90% by mass or more. It is more preferable to make it 100% by mass. For example, it can contain no water. The content of water can be 5% by mass or less based on the mass of the entire dispersion medium, and is preferably 2% by mass or less, or 1% by mass or less. When water coexists, the surface oxidation of the MXene nanosheet particle material progresses and the conductivity deteriorates. The concentration of the particulate material in the dispersion of this embodiment is 0.1% by mass to 0.4% by mass.
本発明の粒子材料及びその製造方法、並びに分散液について以下実施例に基づき詳細に説明を行う。
(実施例1)
・前処理工程
TiC粉末(TI-30-10-0020、レアメタリック社)11.7g、TiN粉末(TN-30-10-0020、レアメタリック社)0.6g、Ti粉末(TIE07PB 3N、高純度化学)4.9g、Al粉末(ALE15PB 3NG、高純度化学)2.8gをイソプロパノール(IPA)中で12時間 ボールミル混合し、エバポレータでIPAを除去して均一混合された乾燥粉末を得た。
The particulate material, the method for producing the same, and the dispersion of the present invention will be described in detail below with reference to examples.
Example 1
Pretreatment step 11.7 g of TiC powder (TI-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 0.6 g of TiN powder (TN-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 4.9 g of Ti powder (TIE07PB 3N, Kojundo Chemical Co., Ltd.), and 2.8 g of Al powder (ALE15PB 3NG, Kojundo Chemical Co., Ltd.) were mixed in isopropanol (IPA) for 12 hours using a ball mill, and the IPA was removed using an evaporator to obtain a uniformly mixed dry powder.
黒鉛抵抗炉を用いてAr気流中1450℃、2h(昇温速度10℃/分)の条件で、均一混合された乾燥粉末をアルミナるつぼに入れて焼成しMAX相セラミックスとしてのTi3Al(C0.95N0.05)2を得た。得られたTi3Al(C0.95N0.05)2について乳鉢と乳棒を用いて粗粉砕した後、IPA中で5mmのジルコニアボールを用いたボールミル粉砕を24時間行った。その後、0.5mmのジルコニアボールを用いた遊星ボールミル粉砕(200rpm、15分を3回)行い、懸濁液を得た。懸濁液に対してエバポレータでIPAを除去して約3μmに粉砕されたTi3Al(C0.95N0.05)2粉末を得た。
The uniformly mixed dry powder was placed in an alumina crucible and fired in a graphite resistance furnace under the conditions of 1450 ° C. in an Ar stream for 2 h (
300mLの濃HClにLiFを18gを入れた酸水溶液を準備し、氷で冷やしながら10gのTi3Al(C0.95N0.05)2粉末を入れて、20℃から30℃に制御された環境下で、24時間、マグネチックスターラーで撹拌することで、Alをエッチングして除去し、Ti3Al0.02(C0.95N0.05)2 MXeneからなる粒子材料を得た。エッチング後、pH6程度になるまで水洗し、最後に水をエタノールに置換した。この操作により、粒子材料は、エタノール中に懸濁されたMXeneの懸濁液を得た。 An acid solution was prepared by adding 18 g of LiF to 300 mL of concentrated HCl, and 10 g of Ti3Al ( C0.95N0.05 ) 2 powder was added while cooling with ice, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer for 24 hours in an environment controlled at 20°C to 30°C to etch and remove Al, thereby obtaining a particulate material consisting of Ti3Al0.02 ( C0.95N0.05 ) 2MXene . After etching, the mixture was washed with water until the pH was about 6, and finally the water was replaced with ethanol. This operation resulted in a suspension of MXene suspended in ethanol being obtained as the particulate material.
原料懸濁液中の粒子濃度を測定し、MXeneの粒子濃度が15.0mg/mLになるように水を添加することで、分散媒としての水中に分散したMXene(原料懸濁液)を得た。
・剥離工程
この原料懸濁液に対して、ZrO2ビーズ径50μmのビーズミルをスラリー送入速度150mL/min、ZrO2ビーズ充填量80%の条件で処理を行うことで、MXeneからなる剥離物を生成した。この処理を3回繰り返すことにより、原料懸濁液中に含まれるMXeneからなる粒子材料は、概ね全て剥離物になり、その剥離物を含む剥離物懸濁液を得た。
The particle concentration in the raw suspension was measured, and water was added so that the particle concentration of MXene became 15.0 mg/mL, thereby obtaining MXene (raw suspension) dispersed in water as a dispersion medium.
This raw suspension was treated in a bead mill with ZrO2 beads of 50 μm diameter at a slurry feed rate of 150 mL/min and a ZrO2 bead loading of 80%, to produce an exfoliated material made of MXene. By repeating this treatment three times, the particulate material made of MXene contained in the raw suspension was almost entirely converted into exfoliated material, and an exfoliated material suspension containing the exfoliated material was obtained.
得られた剥離物懸濁液について、ピラニア処理(H2SO4:H2O2=3体積部:1体積部の混合液に浸漬)したSi基板上に滴下し、AFM分析を行った。AFM像を図1に示す。剥離した剥離物(ナノシート)を無作為に100個抜き取り、AFMにより測定した厚さの平均値を求め表1に示す。さらにSEM観察の結果を図2に示す。剥離物を無作為に100個抜き取り、SEM写真より縦(厚み方向に直交する方向での最大径)と横(縦方向及び厚み方向に直交する方向)の寸法を測定し、その平均値をその剥離物の大きさと定義し、100個の剥離物の大きさの平均値を表1に示す。 The obtained suspension of exfoliated material was dropped onto a Si substrate that had been piranha-treated (immersed in a mixed solution of H2SO4 : H2O2 = 3 parts by volume: 1 part by volume), and AFM analysis was performed. The AFM image is shown in Figure 1. One hundred exfoliated materials (nanosheets) were randomly selected, and the average thickness measured by AFM was determined and shown in Table 1. Furthermore, the results of SEM observation are shown in Figure 2. One hundred exfoliated materials were randomly selected, and the vertical (maximum diameter in the direction perpendicular to the thickness direction) and horizontal (directions perpendicular to the vertical and thickness directions) dimensions were measured from the SEM photograph, and the average value was defined as the size of the exfoliated material, and the average value of the sizes of the 100 exfoliated materials is shown in Table 1.
前処理工程で用いたTi3Al(C0.95N0.05)2の粉末Aと、剥離物(MXeneのナノシート)とのそれぞれについて、XRD測定し、図3に示す。それぞれのXRDプロファイルから(002)面の層間距離を表2に示す。 The XRD measurements were performed on the Ti3Al ( C0.95N0.05 ) 2 powder A used in the pretreatment process and the exfoliated material (MXene nanosheets), and the results are shown in Figure 3. The interlayer distance of the (002) plane from each XRD profile is shown in Table 2.
剥離物懸濁液(15.0 mg/ml)を37000G(17000rpm)、30分間遠心沈降させ、上澄みを廃棄した後、ジメチルスルホキシド(DMSO)を沈降物1.25gあたり5.0g添加し、振とう機にて140rpm、振幅45mm、1.5h撹拌することで懸濁させた。これらの操作を3回繰り返して分散媒を全てDMSOに置換してDMSOサスペンジョンを得た。The suspension of exfoliated material (15.0 mg/ml) was centrifuged at 37,000 G (17,000 rpm) for 30 minutes, the supernatant was discarded, and 5.0 g of dimethyl sulfoxide (DMSO) was added per 1.25 g of sediment. The material was then suspended by stirring at 140 rpm and 45 mm amplitude in a shaker for 1.5 hours. This procedure was repeated three times to replace all the dispersing medium with DMSO, and a DMSO suspension was obtained.
得られたDMSOサスペンジョンについて、2400G(3500rpm)で遠心分離し、上澄みを採取する(上澄みをDMSO colloidsと名付ける)。DMSO colloids 2滴にエタノールを1滴滴下しspin coatのサンプルとする。ピラニア処理したガラス板(25×25×0.7mm)を基板とし、20μL滴下して、4000rpm、1分の条件でスピンコートを行い、膜を作製した。The resulting DMSO suspension was centrifuged at 2400G (3500rpm) and the supernatant was collected (the supernatant was named DMSO colloids). One drop of ethanol was added to two drops of DMSO colloids to prepare a spin coat sample. A piranha-treated glass plate (25 x 25 x 0.7mm) was used as a substrate, and 20μL of ethanol was added and spin coated at 4000rpm for 1 minute to produce a film.
膜厚制御のためスピンコートによる薄膜作製を繰り返す時は、自然乾燥した後、同様にspin coatによる膜作製を必要な膜厚になるまで行った。UV-vis測定した結果を図4に示す。200℃ 24h真空乾燥した後、表面電気抵抗を測定した結果を表3に示す。
(実施例2)
TiC粉末(TI-30-10-0020、レアメタリック社)9.2g、TiN粉末(TN-30-10-0020、レアメタリック社)3.2g、Ti粉末(TIE07PB 3N、高純度化学)4.9g、Al粉末(ALE15PB 3NG、高純度化学)2.8gを出発原料に用いた以外、実施例1と同様に剥離物を調製した。図1にAFM像、表1に平均厚さと平均大きさ、表2に層間距離、図2にSEM像、図3に得られたTi3Al(C0.75N0.25)2粉末、Ti3 Al0.02(C0.75N0.25)2 MXeneのXRDプロファイル、図4にUV-visの結果、表3に表面電気抵抗値を示す。
(比較例1)
TiC粉末(TI-30-10-0020、レアメタリック社)12.3g、Ti粉末(TIE07PB 3N、高純度化学)4.9g、Al粉末(ALE15PB 3NG、高純度化学)2.8gを出発原料に用いた以外、実施例1と同様に剥離物としてのTi3Al0.02C2 MXene ナノシートを作製した。図1にAFM像、表1に平均厚さと平均大きさ、表2に層間距離、図2にSEM像、図3に得られたTi3AlC2粉末、Ti3Al0.02C2 MXeneのXRDプロファイル、表3に表面電気抵抗値を示す。
(比較例2)
TiC粉末(TI-30-10-0020、レアメタリック社)4.4g、TiN粉末(TN-30-10-0020、レアメタリック社)4.6g、Ti粉末(TIE07PB 3N、高純度化学)7.1g、Al粉末(ALE15PB 3NG、高純度化学)4.0gを出発原料に用いた以外、実施例1と同様に剥離物としてのTi3Al0.02(C0.5 N0.5)2 MXene ナノシートを作製した。図2にSEM像、図3に得られたTi3Al(C0.5N0.5)2粉末、Ti3Al0.02(C0.5 N0.5)2 MXeneのXRD プロファイルを示す。
(比較例3)
TiC粉末(TI-30-10-0020、レアメタリック社)12.3g、Ti粉末(TIE07PB 3N、高純度化学)4.9g、Al粉末(ALE15PB 3NG、高純度化学)2.8gを出発原料に用いて比較例2と同様にTi3AlC2粉末を作製し、剥離工程を行う際の分散媒としてエタノールを用いた以外、比較例2と同様に剥離物としてのTi3Al0.02C2 MXene ナノシートを作製した。図1にAFM像、表1に平均厚さと平均大きさ、表2に層間距離、図2にSEM像、図3に得られたTi3AlC2粉末、Ti3Al0.02C2 MXeneのXRD プロファイルを示す。
When repeating thin film production by spin coating to control film thickness, after air drying, film production by spin coating was repeated in the same manner until the required film thickness was reached. The results of UV-vis measurement are shown in Figure 4. After vacuum drying at 200°C for 24 hours, the surface electrical resistance was measured and the results are shown in Table 3.
Example 2
The peeled material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 9.2 g of TiC powder (TI-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 3.2 g of TiN powder (TN-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 4.9 g of Ti powder (TIE07PB 3N, Kojundo Chemical Co., Ltd.), and 2.8 g of Al powder (ALE15PB 3NG, Kojundo Chemical Co. , Ltd.) were used as starting materials. Figure 1 shows the AFM image, Table 1 shows the average thickness and average size, Table 2 shows the interlayer distance, Figure 2 shows the SEM image, Figure 3 shows the XRD profile of the obtained Ti3Al ( C0.75N0.25 ) 2 powder and Ti3Al0.02 ( C0.75N0.25 ) 2MXene , Figure 4 shows the UV-vis result, and Table 3 shows the surface electrical resistance value.
(Comparative Example 1)
Except for using 12.3g of TiC powder (TI-30-10-0020, Rare Metallic Co.), 4.9g of Ti powder (TIE07PB 3N, Kojundo Chemical Co.), and 2.8g of Al powder (ALE15PB 3NG, Kojundo Chemical Co.) as starting materials, Ti3Al0.02C2MXene nanosheets were prepared as exfoliated products in the same manner as in Example 1. Figure 1 shows AFM images, Table 1 shows average thickness and average size, Table 2 shows interlayer distance, Figure 2 shows SEM images, Figure 3 shows XRD profiles of the obtained Ti3AlC2 powder and Ti3Al0.02C2MXene , and Table 3 shows surface electrical resistance values.
(Comparative Example 2)
Except for using 4.4g of TiC powder (TI-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 4.6g of TiN powder (TN-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 7.1g of Ti powder (TIE07PB 3N, Kojundo Chemical Co., Ltd.), and 4.0g of Al powder (ALE15PB 3NG, Kojundo Chemical Co., Ltd.) as starting materials , Ti3Al0.02 ( C0.5N0.5 ) 2MXene nanosheets were prepared as exfoliated materials in the same manner as in Example 1. Figure 2 shows an SEM image, and Figure 3 shows the XRD profiles of the obtained Ti3Al(C0.5N0.5)2 powder and Ti3Al0.02 ( C0.5N0.5 ) 2MXene .
(Comparative Example 3)
Starting materials were used: 12.3g of TiC powder (TI-30-10-0020, Rare Metallic Co.), 4.9g of Ti powder (TIE07PB 3N, Kojundo Chemical Co.), and 2.8g of Al powder (ALE15PB 3NG, Kojundo Chemical Co.), and Ti 3 Al 0.02 C 2 MXene nanosheets were prepared as exfoliated materials in the same manner as in Comparative Example 2, except that ethanol was used as the dispersion medium during the exfoliation process. Figure 1 shows the AFM image, Table 1 shows the average thickness and average size, Table 2 shows the interlayer distance, Figure 2 shows the SEM image, and Figure 3 shows the XRD profile of the obtained Ti 3 Al 2 powder and Ti 3 Al 0.02 C 2 MXene.
比較例2については粒子が粉砕されてシート状にならず、シートの平均厚さ及び平均大きさが測定できなかった。 In comparison example 2, the particles were not crushed into sheets, and the average thickness and average size of the sheets could not be measured.
(結果)
xが0.97~0.7の範囲内に入っている実施例1及び2は、xが1である比較例1及び3と比べて平均厚さが薄く、平均大きさが大きくなることが分かった。また、xが0.5である比較例2では剥離工程で粉砕が進行して微細な粒子しか生成できなかった。Cサイトの一部をNにより置き換えると、親水性官能基が吸着しやすくなり、層間の結合力が弱まり、剥離しやすくなるため好ましいが、余りにNにて置き換えすぎると層間の結合力が弱まり、剥離と同時に容易に粉砕が著しく進行し微細な粉末となった。また、実施例1及び2は、比較例1よりも光線透過性に優れることが分かった。
(result)
It was found that Examples 1 and 2, in which x is in the range of 0.97 to 0.7, have a thinner average thickness and a larger average size than Comparative Examples 1 and 3, in which x is 1. In Comparative Example 2, in which x is 0.5, pulverization proceeded during the peeling process, and only fine particles were generated. It is preferable to replace a part of the C site with N, since it makes it easier for hydrophilic functional groups to be adsorbed, weakens the bonding strength between layers, and facilitates peeling, but if it is replaced too much with N, the bonding strength between layers is weakened, and pulverization proceeds easily and remarkably at the same time as peeling, resulting in fine powder. It was also found that Examples 1 and 2 have better light transmittance than Comparative Example 1.
剥離工程を行う際の分散媒をエタノールのみとした比較例3では、平均厚さが大きく平均大きさが小さくなり、十分に剥離させることができなかった。更に(002)面の層間距離も小さかった。このように水を含有しない分散媒を用いて剥離工程を行うよりも水を含有する分散媒を用いる方が、薄くて大きなナノシートを得る上で、微小ビーズを用いたビーズミルによる手法で剥離させる際に、好ましいことが分かった。In Comparative Example 3, where the dispersion medium used in the peeling process was only ethanol, the average thickness was large and the average size was small, and sufficient peeling was not possible. Furthermore, the interlayer distance of the (002) plane was also small. Thus, it was found that using a dispersion medium containing water is preferable to performing the peeling process using a dispersion medium that does not contain water, in order to obtain thin and large nanosheets, when peeling using a bead mill method using microbeads.
MXeneの剥離は超音波照射で行い、剥離した一部のMXeneナノシートを遠心分離で採取する手法で得ていたが、産業に利用できるレベルとは言えなかった。溶媒に超音波を照射するとキャビテーションが発生し、その圧壊により、粉体どうしが衝突するメカニズムで層状化合物を構成する層の剥離が進行する。しかしながら、キャビテーションの発生が起きやすい水を用いたとしても剥離が進行するのは一部のみである。さらに遊星ボールミルによる手法によると剥離よりも粉砕が優先され、表面酸化が進行するためMXeneについては検討もされていないのが現状であった。
MXeneの炭素サイトの一部を窒素に置き換えると、親水性官能基がより吸着することにより層間の結合力が弱まり、微小ビーズを用いたビーズミルでMXeneの層間に選択的に物理的作用力を付与することにより、遠心分離で分級することなく、平均厚さが薄くて平均大きさが大きなMXeneナノシートを得ることに成功した。MXeneナノシートを産業で利用できるレベルに至ったと言える。
MXene was exfoliated by ultrasonic irradiation, and some of the exfoliated MXene nanosheets were obtained by centrifugation, but this was not at a level suitable for industrial use. When ultrasonic waves are applied to a solvent, cavitation occurs, and the resulting collapse causes the powder particles to collide with each other, which causes the layers that make up the layered compound to peel off. However, even when water, which is prone to cavitation, is used, only some of the layers peel off. Furthermore, when using a planetary ball mill, grinding takes precedence over exfoliation, and surface oxidation progresses, so MXene has not been considered.
When some of the carbon sites of MXene are replaced with nitrogen, the hydrophilic functional groups are more strongly adsorbed, weakening the interlayer bonding strength, and by selectively applying a physical force between the MXene layers in a bead mill using microbeads, we have succeeded in obtaining MXene nanosheets with a thin average thickness and a large average size without the need for classification by centrifugation. It can be said that MXene nanosheets have reached a level where they can be used industrially.
剥離工程において、MXene粒子濃度を10mg/mL以上にすることで、剥離工程の効率が高くなり、20mg/mL以下にすることでMXeneを未剥離物の残存が抑制できて剥離物にすることが容易になった。In the peeling process, by setting the MXene particle concentration to 10 mg/mL or more, the efficiency of the peeling process was increased, and by setting it to 20 mg/mL or less, the amount of unpeeled MXene remaining was suppressed, making it easier to turn the MXene into peeled material.
剥離工程において水を用いて平均厚さが小さい剥離物を得られるようになったが、そのままでは酸化によるMXeneの劣化が観察されたが、実施例のように分散媒をDMSOにて置換することにより酸化が抑制できることが明らかになった。なお、分散液中の濃度を0.4質量%以下にすることで効果的に凝集を抑制することができることが分かった。 By using water in the peeling process, it became possible to obtain peeled products with small average thickness, but when left as is, deterioration of MXene due to oxidation was observed. However, it was revealed that oxidation can be suppressed by replacing the dispersion medium with DMSO as in the examples. Furthermore, it was found that aggregation can be effectively suppressed by keeping the concentration in the dispersion liquid at 0.4 mass% or less.
Claims (5)
前記粒子材料を0.1質量%~0.4質量%で分散し、ジメチルスルホキシドを50質量%以上含有する分散媒と、
を有する分散液。 A particulate material according to claim 1 or 2;
a dispersion medium in which the particulate material is dispersed at 0.1% by mass to 0.4% by mass and which contains 50% by mass or more of dimethyl sulfoxide;
A dispersion having
前記剥離工程後に含有する水をジメチルスルホキシドに置換してジメチルスルホキシド中に前記粒子材料を分散させた分散液とする工程と、
を有する分散液の製造方法。 The method for producing a particulate material according to claim 4, further comprising the steps of:
a step of replacing the water contained after the peeling step with dimethyl sulfoxide to obtain a dispersion liquid in which the particulate material is dispersed in dimethyl sulfoxide;
A method for producing a dispersion having the formula:
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