CN111211306A - 一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用。原料包括硅镁合金Mg2Si、二氧化碳、MXene，MXene@碳@多孔硅材料的结构为碳包覆在多孔硅的外表面，碳和多孔硅的复合体嵌入Mxene的层间距中。将硅镁合金Mg2Si作为前驱体，与二氧化碳气体反应得到产物，产物进行酸洗，得到碳@多孔硅材料。与MXene复合，得到MXene@碳@多孔硅材料。产物电学性能好，碳包覆层均匀，厚度可控。

Description

一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于碳碳复合材料技术领域，具体涉及一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
硅碳复合材料具有导电性好、延展性好、密度小、适应体积变化等优点，因此被认为是与硅基材料复合的最佳材料。
常见的硅碳复合材料的制备方法有：采用机械混合和原位还原的方法制备出纳米硅和石墨烯的复合物；采用喷雾干燥将技术将纳米硅和石墨烯复合；采用气相沉积对硅进行包覆等等。专利CN 108493412 A以二氧化硅为前驱体原料，通过镁热还原制备出多孔硅，再通过酸洗中间产物并结合溶液蒸发与碳化方法包碳，最终得到多孔硅碳复合负极材料。这种方法得到的碳包覆层不均匀，并且包覆层厚度不可控。此外，该方法需要两次加热到高温，使得到的复合材料中硅被部分氧化，产物纯度降低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种MXene@碳@多孔硅材料，原料包括硅镁合金Mg2Si、二氧化碳、MXene，MXene@碳@多孔硅材料的结构为碳包覆在多孔硅的外表面，碳和多孔硅的复合体嵌入Mxene的层间距中。
二氧化碳与硅镁合金反应得到碳包覆多孔硅，包覆后的产物与MXene复合，包覆后的产物嵌入MXene的层间距中，形成嵌合的结构，所得到的复合材料具有较好的导电性和较高的比表面，碳包覆层的厚度适宜。
在一些实施例中，Mxene为Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN中的一种或两种以上的混合物。
第二方面，上述MXene@碳@多孔硅材料中的碳@多孔硅材料的制备方法，所述方法为：将硅镁合金Mg2Si作为前驱体，与二氧化碳气体反应得到产物，产物进行酸洗，得到碳@多孔硅材料。
本发明的反应是经过一次高温处理的制备过程，硅镁合金和二氧化碳一次高温反应得到氧化镁和碳的中间体，经过酸洗之后洗掉副产物氧化镁，碳包覆在多孔硅的表面。与现有的镁热还原法技术方案是不同，而且高温次数只有一次，同时，现有的镁热还原法不同，镁热还原法不能直接包覆碳，所以无法控制碳包覆层的厚度，本发明中通过控制反应的温度和时间可以控制碳包覆层的厚度，得到的碳包覆层更均匀。
上述MXene@碳@多孔硅材料的制备方法，所述方法为：将碳包覆多孔硅与MXene常温下搅拌复合，得到MXene@碳@多孔硅材料。
在一些实施例中，前驱体与二氧化碳反应的温度为400℃-1500℃，反应的时间为0.1h-24h；优选的，前驱体与二氧化碳反应的温度为600℃-1500℃。温度影响形成的碳包覆层的厚度，其原理是温度影响镁和二氧化碳反应的程度，温度越高，形成的碳包覆层越厚。当反应温度高于上述范围会导致副产物的产生，降低产物的纯度。
在一些实施例中，酸洗使用的酸洗试剂为盐酸、硫酸、氢氟酸、硝酸、醋酸、草酸、柠檬酸中的一种或两种以上的混合物。酸洗的过程，酸与中间产物反应，得到高比表面积的碳包覆多孔硅基材MXene料。
在一些实施例中，硅镁合金与二氧化碳的摩尔比要高于为1:1.1，碳包覆多孔硅与MXene的摩尔比为0.5:1-10:1。
在一些实施例中，Mxene为Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN中的一种或两种以上的混合物。碳包覆多孔硅与Mxene复合进一步提高复合材料的导电性，并且MXene的层与层之间也可以缓冲体积膨胀。因此，这种多功能的结构模型有益于提高电池的性能。
第三方面，上述制备方法得到的碳@多孔硅材料作为锂离子电池负极材料在锂离子电池中的应用
上述MXene@碳@多孔硅材料作为锂金属电池集流体在锂金属电池中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在高温下通入二氧化碳其他来制备碳@多孔硅材料，碳包覆层的厚度可以通过温度和时间来调控，并且得到的碳包覆层均匀的包覆在多孔硅表面。
(2)本发明是在反应过程中得到碳包覆层，因此包覆层与多孔硅之间的结合力极强。
(3)本发明是先包覆，后酸洗，因此产物不会氧化，其纯的较高。
(4)本发明中碳包覆层可以提高材料的导电性，缓冲循环过程中产生的体积膨胀，MXene具有高的导电性，可以进一步提高材料的导电性，并且MXene的层与层之间也可以缓冲体积膨胀。因此，这种多功能的结构模型有益于提高电池的性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1中硅镁合金前驱体的XRD图；
图2为实施例1中的中间产物的XRD图；
图3为实施例1中碳@多孔硅的XRD；
图4为实施例1中MXene@碳@多孔硅的XRD；
图5为实施例1中硅镁合金前驱体的SEM；
图6为实施例1中中间产物的SEM；
图7为实施例1中碳@多孔硅的SEM，产物的结构是多孔的，并且孔径分布均匀，孔隙率较大；
图8为实施例1中MXene@碳@多孔硅的SEM，产物表明粗糙，并且碳@多孔硅分布均匀；
图9为实施例1中碳@多孔硅作为锂离子电池负极材料电学性能测试图；
图10为实施例1中MXene@碳@多孔硅作为锂金属电池集流体的循环性能测试图；
图11为对比例1中中间产物的XRD。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1：
取5g的硅镁合金作为原料，通入二氧化钛气体，700℃加热12h，将所的产物在盐酸溶液中搅拌10h，然后加入Ti3C2材料，最后离心干燥，即可得到Ti3C2@碳@多孔硅材料(MXene@碳@多孔硅)。
从图1中可以得到硅镁合金的前驱体为纯相的硅镁合金。从图2中可以说明中间产物中氧化镁和硅的复合物，即二氧化钛与硅镁合金前驱体中的镁发生反应，生成氧化镁和碳，此外，生成的碳包覆在硅的表面。图3中可以说明碳包附硅被合成，并且产物纯度较高。图4说明MXene@碳@多孔硅被成功制备。图5中可以得到前驱体的表面较为光滑，没有杂质。图6中得到中间产物的表面粗糙，说明二氧化碳与前驱体发生看反应。图7碳@多孔硅的结构是多孔的，并且孔径分布均匀，孔隙率较大。图8可以MXene@碳@多孔硅产物表明粗糙，并且碳@多孔硅分布均匀。图9碳@多孔硅作为锂离子电池负极材料时的循环性能和倍率性能，作为负极材料时，碳@多孔硅表现出了良好的电化学性能。图10说明MXene@碳@多孔硅作为锂金属电池集流体具有良好的循环性能。
实施例2：
取5g的硅镁合金作为原料，通入二氧化钛气体，1500℃加热0.1h，将所的产物在硫酸溶液中搅拌，然后加入Ti2C材料，最后离心干燥，即可得到Ti2C@碳@多孔硅材料。
实施例3：
取5g的硅镁合金作为原料，通入二氧化钛气体，600℃加热24h，将所的产物在硝酸溶液中搅拌，然后加入Ta4C3材料，最后离心干燥，即可得到Ta4C3@碳@多孔硅材料。
实施例4：
取5g的硅镁合金作为原料，通入二氧化钛气体，1000℃加热10h，将所的产物在盐酸溶液中搅拌，然后加入TiNbC材料，最后离心干燥，即可得到TiNbC@碳@多孔硅材料。
实施例5：
取5g的硅镁合金作为原料，通入二氧化钛气体，1200℃加热8h，将所的产物在盐酸溶液中搅拌，然后加入Nb4C3材料，最后离心干燥，即可得到Nb4C3@碳@多孔硅材料。
实施例6：
取5g的硅镁合金作为原料，通入二氧化钛气体，900℃加热20h，将所的产物在盐酸溶液中搅拌，然后加入V2C材料，最后离心干燥，即可得到V2C@碳@多孔硅材料。
对比例1
相比于实施例1硅镁合金与二氧化碳气体反应的温度为1800℃，得到的产物不纯。图11为对比例1中中间产物的XRD，产物中Mg2SiO4的杂质存在。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MXene@碳@多孔硅材料，其特征在于：原料包括硅镁合金Mg2Si、二氧化碳、MXene，MXene@碳@多孔硅材料的结构为碳包覆在多孔硅的外表面，碳和多孔硅的复合体嵌入Mxene的层间距中。
2.根据权利要求1所述的MXene@碳@多孔硅材料，其特征在于：Mxene为Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN中的一种或两种以上的混合物。
3.权利要求1-2任一所述的MXene@碳@多孔硅材料中的碳@多孔硅材料的制备方法，其特征在于：所述方法为：将硅镁合金Mg2Si作为前驱体，与二氧化碳气体反应得到产物，产物进行酸洗，得到碳@多孔硅材料。
4.根据权利要求3所述的MXene@碳@多孔硅材料中的碳@多孔硅材料的制备方法，其特征在于：将碳包覆多孔硅与MXene复合，得到MXene@碳@多孔硅材料。
5.根据权利要求3所述的MXene@碳@多孔硅材料中的碳@多孔硅材料的制备方法，其特征在于：前驱体与二氧化碳反应的温度为400℃-1500℃，反应的时间为0.1h-24h。
6.根据权利要求5所述的MXene@碳@多孔硅材料的制备方法，其特征在于：前驱体与二氧化碳反应的温度为600℃-1500℃。
7.根据权利要求3所述的MXene@碳@多孔硅材料中的碳@多孔硅材料的制备方法，其特征在于：酸洗使用的酸洗试剂为盐酸、硫酸、氢氟酸、硝酸、醋酸、草酸、柠檬酸中的一种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求4所述的MXene@碳@多孔硅材料中的碳@多孔硅材料的制备方法，其特征在于：硅镁合金与二氧化碳的摩尔比要高于为1:1.1，产物硅与MXene的摩尔比为0.5:1-10:1。
9.权利要求3所述的制备方法得到的碳@多孔硅材料作为锂离子电池负极材料在锂离子电池中的应用。
10.权利要求1-2任一所述的MXene@碳@多孔硅材料作为锂金属电池集流体在锂金属电池中的应用。
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