CN110165209A - 一种有机强碱扩层Mxene材料及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，包括如下步骤：将Mxene材料加入有机强碱水溶液中搅拌，然后洗涤至pH为中性，再超声均匀，冷冻干燥得到有机强碱扩层Mxene材料。本发明还公开了一种有机强碱扩层Mxene材料，按照上述方法制备得到。本发明还公开了上述有机强碱扩层Mxene材料在制备锂离子电池和钠离子电池中的应用。本发明方法简单、能耗低，选用有机强碱实现对Mxene材料的扩层，且更大的阳离子半径得到更大的层间距，不仅加速了锂离子传输，而且对钠离子的存储大有益处，在锂离子电池和钠离子电池中得到很好的应用。

Description

一种有机强碱扩层Mxene材料及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种有机强碱扩层Mxene材料及其制备方法、应用。
背景技术
Mxene(中文名称：二维过渡金属碳(氮)化物)是一种2011年发现的二维层状材料，展现了优异的电子电导率、表面亲水能力以及好的稳定性，层状结构的Mxene已经应用在储能、光催化、储氢以及吸附等领域。
但是，由于用HF酸刻蚀后制备Mxene材料的层间距是有限的，表面还残留有-F/-OH官能团，因此嵌锂能力较差；钠离子的半径大于锂离子，若要得到良好的嵌钠性能，对Mxene材料的扩层是非常必要的。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种有机强碱扩层Mxene材料及其制备方法、应用，本发明方法简单、能耗低，选用有机强碱实现对Mxene材料的扩层，且更大的阳离子半径得到更大的层间距，不仅加速了锂离子传输，而且对钠离子的存储大有益处，在锂离子电池和钠离子电池中得到很好的应用。
本发明提出的一种有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，包括如下步骤：将Mxene材料加入有机强碱水溶液中搅拌，然后洗涤至pH为中性，再超声均匀，冷冻干燥得到有机强碱扩层Mxene材料。
优选地，有机强碱为四丁基氢氧化铵、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、三甲基金刚烷基氢氧化铵、三甲基乙基氢氧化铵、苯基三甲基氢氧化铵、苯基三乙基氢氧化铵中的至少一种。
优选地，有机强碱水溶液的质量分数为5-40wt％。
优选地，搅拌温度为25-80℃。
优选地，搅拌时间为2-48h。
优选地，搅拌转速为200-1200rpm。
优选地，超声频率为28-100kHz。
优选地，超声时间为20-120min。
优选地，Mxene材料为Ti3C2、Ti2C、Ti2N、Nb2C、Nb4C3、Ta2C、Ta4C3、V2C、V3C2、Cr2C、Cr3C2、(Ti0.5Nb0.5)2C、Ti3(C0.5N0.5)2、Mo2C或Mo3C2。
上述Mxene材料可以通过本领域常规方法制备得到，例如，可以用HF水溶液处理MAX材料得到Mxene材料。
上述水均为去离子水。
本发明还提出了一种有机强碱扩层Mxene材料，按照上述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法制备得到。
本发明还提出了上述有机强碱扩层Mxene材料在制备锂离子电池和钠离子电池中的应用。
发明人通过研究发现强碱性材料对Mxene材料有扩层效果，其中强碱材料中阳离子半径越大，扩层效果越好。相对于无机强碱，有机强碱可以通过官能团的取代实现更大的阳离子半径，从而使得Mxene材料扩层后获得更大的层间距，从而可以加速锂离子的传输，有利于钠离子的存储。
在扩层反应过程中，经HF酸刻蚀得到的Mxene材料，表面含有带负电荷的-F/-OH官能团，加入有机强碱后，经过静电吸附反应，有机强碱中的阳离子与带负电的阴离子自发的结合，层间距也因此逐渐扩大，最终得到有机强碱扩层Mxene材料；该材料的层间距变大，有利于离子的传输，锂钠离子的传输加快，再加之Mxene材料拥有优异的电子电导率以及好的稳定性，因此有机强碱扩层Mxene材料在储能领域有良好的应用前景。
本发明制备方法简单、能耗低，通过有机强碱实现对Mxene材料的扩层，且更大的阳离子半径得到更大的层间距，不仅加速了锂离子传输，而且对钠离子的存储大有益处，在锂离子电池和钠离子电池中得到很好的应用。
附图说明
图1为实施例1制得的有机强碱扩层Mxene材料扫描电镜图片。
图2为扩层前Mxene材料的扫描电镜照片。
图3为扩层前后Mxene电极片的储锂性能图。
图4为扩层前后Mxene电极片的储钠性能图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，包括如下步骤：用质量分数为40wt％HF水溶液处理MAX材料Ti3AlC2 24h，离心，洗涤，干燥得到Mxene材料Ti3C2；
将质量分数为40wt％的四丁基氢氧化铵水溶液加水稀释混匀得到质量分数为25wt％四丁基氢氧化铵水溶液；
将1g Mxene材料Ti3C2加入10mL质量分数为25wt％四丁基氢氧化铵水溶液中，于30℃，以800rpm的转速搅拌24h，然后用水反复洗涤至溶液pH为中性，再以50kHz的频率超声30min，冷冻干燥得到有机强碱扩层Mxene材料。
试验例1
取实施例1的有机强碱扩层Mxene材料、Mxene材料Ti3C2进行电镜扫描，结果参见图1-2，图1为实施例1制得的有机强碱扩层Mxene材料扫描电镜图片；图2为扩层前Mxene材料的扫描电镜照片；由图1-2可以看出：经有机强碱扩层后Mxene材料的层间距明显增大。
试验例2
将实施例1的有机强碱扩层Mxene材料、Mxene材料分别与导电剂、粘结剂混合按质量比8：1：1混合，加溶剂调制成具有流动性的均匀浆料，将该浆料涂覆于提前清理干净的基体，于60℃恒温烘箱中放置12h，然后于60℃真空干燥箱中干燥2h烘干溶剂，将涂覆浆料的基体用硫酸纸包裹，防止污染，用辊压机压实，然后放在60℃真空烘箱中干燥2h得到扩层后Mxene电极片和扩层前Mxene电极片；
其中，所述溶剂不受特别限制，只要在其烘干过程中不分解，烘干后不残留即可，此处溶剂为N-甲基吡咯烷酮；基体为铜箔，铝箔等导电材料，此处为铜箔；导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯中的至少一种；粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、苯乙烯一丁二烯橡胶(SBR)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)中的至少一种，此处为聚偏氟乙烯(PVDF)。
对上述扩层后Mxene电极片、扩层前Mxene电极片进行性能检测，以扣式半电池来评测。结果参见图3-4，图3为扩层前后Mxene电极片的储锂性能图；图4为扩层前后Mxene电极片的储钠性能图，由图3-4可以看出，扩层后Mxene电极片的倍率性能显著提高，经有机强碱扩层后Mxene材料的储锂、储钠均显著提高。
实施例2
MAX材料为Ti2AlC，所得Mxene材料为Ti2C，1g Ti2C加入以30mL质量分数为10wt％四乙基氢氧化铵水溶液中，搅拌温度为45℃，其他同实施例1。
实施例3
MAX材料为V3AlC2，所得Mxene材料为V3C2，1g Ti2C加入以10mL质量分数为30wt％四甲基氢氧化铵水溶液中，搅拌温度为25℃，超声频率为100kHz，其他同实施例1。
实施例4
1g Ti3C2加入以25mL质量分数为10wt％苯基三甲基氢氧化铵水溶液中，搅拌时间为48h，超声频率为30kHz，超声时间为60min，其他同实施例1。
实施例5
MAX材料为Mo2AlC，所得Mxene材料为Mo2C，1g Mo2C加入以10mL质量分数为25wt％四丙基氢氧化铵水溶液中，搅拌温度为60℃，搅拌转速为1000rpm，搅拌时间为12h，其他同实施例1。
实施例6
MAX材料为Nb3AlC2，所得Mxene材料为Nb3C2，1g Nb3C2加入以50mL质量分数为5wt％四丁基氢氧化铵水溶液中，搅拌转速为1000rpm，超声频率为80kHz，其他同实施例1。
实施例7
MAX材料为Ti2AlC，所得Mxene材料为Ti2C，搅拌转速为400rpm，搅拌时间为36h，其他同实施例1。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将Mxene材料加入有机强碱水溶液中搅拌，然后洗涤至pH为中性，再超声均匀，冷冻干燥得到有机强碱扩层Mxene材料。
2.根据权利要求1所述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，有机强碱为四丁基氢氧化铵、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、三甲基金刚烷基氢氧化铵、三甲基乙基氢氧化铵、苯基三甲基氢氧化铵、苯基三乙基氢氧化铵中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，有机强碱水溶液的质量分数为5-40wt％。
4.根据权利要求1-3任一项所述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，搅拌温度为25-80℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，搅拌时间为2-48h。
6.根据权利要求1-5任一项所述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，搅拌转速为200-1200rpm。
7.根据权利要求1-6任一项所述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，超声频率为28-100kHz；优选地，超声时间为20-120min。
8.根据权利要求1-7任一项所述有机强碱扩层Mxene材料的制备方法，其特征在于，Mxene材料为Ti3C2、Ti2C、Ti2N、Nb2C、Nb4C3、Ta2C、Ta4C3、V2C、V3C2、Cr2C、Cr3C2、(Ti0.5Nb0.5)2C、Ti3(C0.5N0.5)2、Mo2C或Mo3C2。
9.一种有机强碱扩层Mxene材料，其特征在于，按照权利要求1-8任一项所述方法制备得到。
10.一种如权利要求9所述有机强碱扩层Mxene材料在制备锂离子电池和钠离子电池中的应用。
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