CN111943208A - 一种基于聚合物高温碳化制备碳化钛（MXene） 柔性电极的方法及其应用 - Google Patents
一种基于聚合物高温碳化制备碳化钛（MXene） 柔性电极的方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体涉及一种基于聚合物高温碳化制备碳化钛(MXene)柔性电极的方法及其应用，为研究一种进一步提高Ti3C2Tx(碳化钛)电化学性能的方法，本发明以Ti3C2Tx作为基底，以聚合物聚丙烯腈和/或苯醌‑苯二胺混合物作为填充物，通过高温碳化处理制备得到Ti3C2Tx(MXene)柔性电极，由本发明方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极膜片不仅具有较好的柔性，可弯曲和翻折，而且电化学性能优异，面积比电容可达到239mF·cm‑2；此外，本发明首先通过真空抽滤，然后高温碳化处理，直接成型，操作简单容易，无需任何粘结剂，降低了生产成本和工艺复杂度。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体涉及一种基于聚合物高温碳化制备碳化钛(MXene)柔性电极的方法及其应用。
背景技术
近些年来，随着电子产品向小型化、微型化、便携式发展，柔性功能已成为发展的趋势。在能源存储方面，超级电容器由于具有长寿命，大的充放电电流密度等优势，已成为目前研究的热点。电极、极耳、隔膜以及封装材料是构成超级电容器必不可少的组成部分，其中电极是关键组成部分之一，是整个***中极为重要的部分。因此，研究具有高的电化学性能，并且具有一定柔性以及安全性的电极，是当前研究工作的重点。
聚合物，由于其具有长的链状微观结构而具备一定的柔性，因而经常被应用到柔性器件中，使其得以广泛的应用。但是，其电化学性能不好，即使某些材料具有一定的电化学性能，也存在充放电过程中结构不稳定，循环寿命短等问题。
二维材料(例如石墨烯，MoS2黑磷烯，MXenes等)，由于其具有片层状的形貌，因而多应用于柔性器件中。其中，MXenes作为一种新型的二维材料，一般通过选择性刻蚀掉MAX相中的A元素(A一般是Si或Al)而得到，由于其具有电子导电性能好、亲水性强、比表面积大、表面活性官能团丰富等优点，成为近年来研究的热点。Ti3C2Tx(碳化钛，Tx表示表面终止官能团，例如-F，-O，-OH等)是研究得最为广泛的MXenes材料之一，在柔性器件电极材料的应用方面，表现出巨大的吸引力。但由于其在制备过程中会出现一定程度的团聚，当其作为超级电容器的活性物质时，会限制电化学性能的发挥，从而影响到实际的应用。因此，研究进一步提高Ti3C2Tx电化学性能的方法具有重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的首要目的是提供一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法。
本发明的第二个目的是提供采用上述方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
本发明的第三个目的是提供采用上述方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极在制备柔性器件中的应用。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，即以Ti3C2Tx作为基底，以聚合物聚丙烯腈(PAN)和/或苯醌-苯二胺混合物作为填充物，通过高温碳化处理制备得到Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
考虑到柔性器件的电性能和功能性应用，本发明采用取长补短的方式，以Ti3C2Tx(碳化钛)作为基底，提供电化学活性位点；聚合物(聚丙烯腈和/或苯醌-苯二胺混合物)作为填充物，减少活性物质的团聚，并提供柔性；此外，由于某些聚合物不导电，采取高温碳化的方式，使其导电性增加，从而进一步提高Ti3C2Tx电化学性能的发挥。
优选的，上述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，具体包括以下步骤：
S1、制备Ti3C2Tx悬浮液；
S2、制备聚合物溶液：聚丙烯腈溶液和/或苯醌-苯二胺混合物溶液；
S3、溶液混合：将步骤S1的Ti3C2Tx悬浮液与步骤S2的聚合物溶液进行混合；
S4、膜片组装：对步骤S3的混合溶液进行抽滤和干燥后得到电极膜片预制样品；
S5、高温碳化处理：对步骤S4的膜片预制样品进行高温碳化处理后得到Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
优选的，步骤S1所述的Ti3C2Tx悬浮液是通过LiF+HCl(LiF的HCl水溶液)和Ti3AlC2在一定条件下经反应制备得到。
具体的，所述Ti3C2Tx悬浮液的制备方法为：将LiF逐渐加入HCl水溶液(浓度为6mol·L-1)中，使其完全溶解制备得到浓度为(0.05-0.08)g/mL的混合液；往上述混合液中逐渐加入Ti3AlC2(Ti3AlC2与LiF的质量比为1-3:1)，室温下搅拌10-60min，使混合液均匀；将上述混合液转移至35-40℃的反应温度下反应24-45h；反应结束后，离心洗涤，转速为3500-5000prm，每次持续时间为5-10min，总共重复离心5-10次，每两次离心的间隔时间5-10min,洗涤至PH约为6，所用洗涤试剂为无水乙醇和去离子水(交替使用无水乙醇和去离子水对反应产物进行洗涤)；然后在惰性气体(如氩气、氮气)气氛中，超声分散1h，超声的功率为80W；而后在3500prm下离心1h，取上清液得到Ti3C2Tx悬浮液。
优选的，步骤S2所述苯醌-苯二胺混合物为苯醌和苯二胺按(2-3):1的摩尔比混合得到，更优选的，所述苯醌和苯二胺的摩尔比为3:1或2:1。
优选的，步骤S5所述高温碳化为在惰性气体(如氩气、氮气)气氛下以5-10℃·min-1的升温速率升温至750-950℃保温0.5-4h。
优选的，步骤S3所述Ti3C2Tx悬浮液与聚合物溶液按(1-2)：(1-2)的质量比进行混合，更优选的，所述Ti3C2Tx悬浮液与聚合物溶液的质量比为2:1、1:1、1:2。
优选的，步骤S2所述的聚丙烯腈溶液的质量浓度为1％-8％。
具体的，是将聚丙烯腈分散在二甲酰胺(DMF)中制备得到聚丙烯腈溶液。
优选的，步骤S2所述的苯醌-苯二胺混合物溶液的质量浓度为0.5％-1％。
具体的，是将苯醌-苯二胺混合物分散到无水乙醇中，经搅拌均匀制备得到苯醌-苯二胺混合物溶液。
优选的，步骤S4所述的抽滤为采用孔径为0.2-0.45μm的滤膜进行真空抽滤；所述干燥为真空冷冻干燥。
优选的，步骤S3所述Ti3C2Tx悬浮液与聚合物溶液混合后，室温下搅拌不少于24h使其充分混匀。
本发明还提供了采用上述方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
本发明还提供了采用上述方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极在制备柔性器件中的应用。
优选的，所述柔性器件包括但不限于柔性电容器，所述柔性电容器包括但不限于柔性超级电容器。
采用本发明方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极，不仅具有较好的柔性，可以弯曲和翻折；而且电化学性能优异，面积比电容可达到239mF·cm-2，有望作为柔性器件的新型电极材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，即以Ti3C2Tx作为基底，以聚合物聚丙烯腈(PAN)和/或苯醌-苯二胺混合物作为填充物，通过高温碳化处理制备得到Ti3C2Tx(MXene)柔性电极，由本发明方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极膜片不仅具有较好的柔性，可弯曲和翻折，而且电化学性能优异，面积比电容可达到239mF·cm-2；此外，本发明首先通过真空抽滤，然后高温碳化处理，直接成型，操作简单容易，所制备得到的电极无需任何粘结剂，降低了生产成本和工艺复杂度。
附图说明
图1为基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的工艺流程示意图；
图2为基于聚合物高温碳化制备的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极在弯曲状态时的照片；
图3为实施例1中的基于聚合物高温碳化制备的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的电化学性能曲线；
图4为实施例4中的基于聚合物高温碳化制备的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的电化学性能曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法
如图1所示，该方法包括以下工艺步骤：
(1)Ti3C2Tx悬浮液的制备：将1.98g LiF逐渐加入30mLHCl水溶液(浓度为6mol L-1)中，使其完全溶解制备得到浓度为0.066g/mL的混合液；往上述混合液中逐渐加入3gTi3AlC2，室温下使用磁力搅拌器搅拌60min，搅拌均匀；将上述混合液转移至Teflon材质的水热釜中，反应温度为40℃，反应时间为45h；反应结束后，离心洗涤，转速为3500prm，每次持续时间为5min，总共重复离心8次，洗涤至PH约为6，所用洗涤试剂为无水乙醇和去离子水(交替使用无水乙醇和去离子水对反应产物进行洗涤)；然后在氩气气氛中，超声分散1h；而后在3500prm下离心1h，取上清液保留备用。
(2)聚合物溶液的制备：将聚丙烯腈(PAN)分散在二甲酰胺(DMF)中，搅拌形成均匀的溶液，PAN的质量浓度为8％。
(3)溶液混合：将步骤(1)中的Ti3C2Tx悬浮液和步骤(2)中的聚合物溶液按2：1的质量比混合，室温下搅拌24h。
(4)膜片组装：使用滤膜(孔径为0.45μm)对步骤(3)中的混合溶液进行真空抽滤，然后真空冷冻干燥，得到电极膜片预制样品。
(5)碳化处理：将步骤(4)得到的膜片预制样品置于氩气氛围下，以5℃min-1的升温速率升温到750℃保温4h进行碳化处理，最后冷却到室温，得到基于聚合物高温碳化制备的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
所制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极具有较好的柔性，可弯曲和翻折，其弯曲时的转态如图2所示。
实施例2一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法
如图1所示，该方法包括以下工艺步骤：
(1)Ti3C2Tx悬浮液的制备：将1.98g LiF逐渐加入30mLHCl水溶液(浓度为6mol L-1)中，使其完全溶解制备得到浓度为0.066g/mL的混合液；往上述混合液中逐渐加入3gTi3AlC2，室温下使用磁力搅拌器搅拌60min，搅拌均匀；将上述混合液转移至Teflon材质的水热釜中，反应温度为35℃，反应时间为24h；反应结束后，离心洗涤，转速为5000prm，每次持续时间为10min，总共重复离心8次，洗涤至PH约为6，所用洗涤试剂为无水乙醇和去离子水(交替使用无水乙醇和去离子水对反应产物进行洗涤)；然后在氩气气氛中，超声分散1h；而后在3500prm下离心1h，取上清液保留备用。
(2)聚合物溶液的制备：将聚丙烯腈(PAN)分散在二甲酰胺(DMF)中，搅拌形成均匀的溶液，PAN的质量浓度为8％。
(3)溶液混合：将步骤(1)中的Ti3C2Tx悬浮液和步骤(2)中的聚合物溶液按1：1的质量比混合，室温下搅拌24h。
(4)膜片组装：使用滤膜(孔径为0.45μm)对步骤(3)中的混合溶液进行真空抽滤，然后真空冷冻干燥，得到电极膜片预制样品。
(5)碳化处理：将步骤(4)得到的膜片预制样品置于氩气氛围下，以10℃min-1的升温速率升温到850℃保温2h进行碳化处理，最后冷却到室温，得到基于聚合物高温碳化制备的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
所制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极具有较好的柔性，可弯曲和翻折。
实施例3一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法
如图1所示，该方法包括以下工艺步骤：
(1)Ti3C2Tx悬浮液的制备：将1.98g LiF逐渐加入30mLHCl水溶液(浓度为6mol L-1)中，使其完全溶解制备得到浓度为0.066g/mL的混合液；往上述混合液中逐渐加入3gTi3AlC2，室温下使用磁力搅拌器搅拌60min，搅拌均匀；将上述混合液转移至Teflon材质的水热釜中，反应温度为35℃，反应时间为40h；反应结束后，离心洗涤，转速为3500prm，每次持续时间为10min，总共重复离心6次，洗涤至PH约为6，所用洗涤试剂为无水乙醇和去离子水(交替使用无水乙醇和去离子水对反应产物进行洗涤)；然后在氩气气氛中，超声分散1h；而后在3500prm下离心1h，取上清液保留备用。
(2)聚合物溶液的制备：将聚丙烯腈(PAN)分散在二甲酰胺(DMF)中，搅拌形成均匀的溶液，PAN的质量浓度为8％。
(3)溶液混合：将步骤(1)中的Ti3C2Tx悬浮液和步骤(2)中的聚合物溶液按1：2的质量比混合，室温下搅拌24h。
(4)膜片组装：使用滤膜(孔径为0.22μm)对步骤(3)中的混合溶液进行真空抽滤，然后真空冷冻干燥，得到电极膜片预制样品。
(5)碳化处理：将步骤(4)得到的膜片预制样品置于氩气氛围下，以10℃min-1的升温速率升温到950℃保温0.5h进行碳化处理，最后冷却到室温，得到基于聚合物高温碳化制备的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
所制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极具有较好的柔性，可弯曲和翻折。
实施例4一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法
如图1所示，该方法包括以下工艺步骤：
(1)Ti3C2Tx悬浮液的制备：将1.98g LiF逐渐加入30mLHCl水溶液(浓度为6mol L-1)中，使其完全溶解制备得到浓度为0.066g/mL的混合液；往上述混合液中逐渐加入3gTi3AlC2，室温下使用磁力搅拌器搅拌60min，搅拌均匀；将上述混合液转移至Teflon材质的水热釜中，反应温度为40℃，反应时间为45h；反应结束后，离心洗涤，转速为3500prm，每次持续时间为5min，总共重复离心8次，洗涤至PH约为6，所用洗涤试剂为无水乙醇和去离子水(交替使用无水乙醇和去离子水对反应产物进行洗涤)；然后在氩气气氛中，超声分散1h；而后在3500prm下离心1h，取上清液保留备用。
(2)聚合物溶液的制备：将苯醌和苯二胺按3：1的摩尔比混合，然后分散在无水乙醇中，苯醌-苯二胺混合物的质量浓度为1％，搅拌直到溶液变成深棕色。
(3)溶液混合：将步骤(1)中的Ti3C2Tx悬浮液和步骤(2)中的聚合物溶液按2：1的质量比混合，室温下搅拌24h。
(4)膜片组装：使用滤膜(孔径为0.45μm)对步骤(3)中的混合溶液进行真空抽滤，然后真空冷冻干燥，得到电极膜片预制样品。
(5)碳化处理：将步骤(4)得到的膜片预制样品置于氩气氛围下，以5℃min-1的升温速率升温到750℃保温4h进行碳化处理，最后冷却到室温，得到基于聚合物高温碳化制备的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
所制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极具有较好的柔性，可弯曲和翻折。
实验例1电化学性能测试
面积比电容的测定：分别以实施例1和实施例4中经高温碳化后的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极膜片作为工作电极，以活性炭电极为对电极，以Ag/AgCl电极(3mol L-1KCl溶液)为参比电极；以1mol L-1的H2SO4为电解质，组装成三电极测试装置。然后在电化学工作站中采用扫描循环伏安法进行电化学测试，测试的扫描速率为2-100mV/s，扫描圈数为5圈，电容取第五圈的数据。最后以扫描速率(mV/s)为横坐标，以面积比电容(mF·cm-2)为纵坐标，绘制电化学性能曲线。结果如图3和图4所示。
其中，活性炭对电极的制备方法为：将活性炭与PTFE乳液按照90：10的质量比混合，加水配制形成糊状混合物(固含量约为40％)，然后经过辊压，形成厚度约为0.1mm的薄片；最后在100℃的真空烘箱中放置4h，冷却至室温，放在干燥箱中保存，作为对电极备用。
当前，在柔性电极领域，碳类柔性电极的电化学性能较好，应用较为广泛，其面积比电容为57-85mF·cm-2。由图3的电化学性能曲线可以看出，在10mV·s-1时，实施例1的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的面积比电容高达239mF·cm-2。由图4的电化学性能曲线可以看出，在10mV·s-1时，实施例4的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的面积比电容为201mF·cm-2。可见，采用本发明方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极具有更优异的电化学性能，有望成为新型的柔性电极材料。
此外，实施例2和实施例3制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的面积比电容与实施例2相差不大。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，以Ti3C2Tx作为基底，以聚合物聚丙烯腈和/或苯醌-苯二胺混合物作为填充物，通过高温碳化处理制备得到Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备Ti3C2Tx悬浮液；
S2、制备聚合物溶液：聚丙烯腈溶液和/或苯醌-苯二胺混合物溶液；
S3、溶液混合：将步骤S1的Ti3C2Tx悬浮液与步骤S2的聚合物溶液进行混合；
S4、膜片组装：对步骤S3的混合溶液进行抽滤和干燥后得到电极膜片预制样品；
S5、高温碳化处理：对步骤S4的膜片预制样品进行高温碳化处理后得到Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
3.根据权利要求2所述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，步骤S1所述的Ti3C2Tx悬浮液是通过LiF+HCl和Ti3AlC2在一定条件下经反应制备得到。
4.根据权利要求2所述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，步骤S2所述苯醌-苯二胺混合物为苯醌和苯二胺按(2-3):1的摩尔比混合得到。
5.根据权利要求2所述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，步骤S5所述高温碳化为在惰性气体气氛下以5-10℃·min-1的升温速率升温至750-950℃保温0.5-4h。
6.根据权利要求2所述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，步骤S3所述Ti3C2Tx悬浮液与聚合物溶液按(1-2)：(1-2)的质量比进行混合。
7.根据权利要求2所述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，步骤S2所述的聚丙烯腈溶液的质量浓度为1％-8％。
8.根据权利要求2所述的一种基于聚合物高温碳化制备Ti3C2Tx(MXene)柔性电极的方法，其特征在于，步骤S2所述的苯醌-苯二胺混合物溶液的质量浓度为0.5％-1％。
9.采用权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极。
10.权利要求9所述的Ti3C2Tx(MXene)柔性电极在制备柔性器件中的应用。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112924506A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-08 | 湖南科技大学 | 一种简易电化学微型传感器的制备方法及其产品与应用 |
| CN113005567A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-22 | 同济大学 | 新型MXene修饰的多孔碳纤维复合电极的制备及应用 |
| CN113115581A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-13 | 郑州大学 | Ti3C2Tx复合材料及其制备方法 |
| CN113163698A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-23 | 郑州大学 | 一种蜂窝状复合材料及其制备方法 |
| CN113201807A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-03 | 济南大学 | 一种Ti3C2Tx MXene一维空心纳米管及其制备方法和应用 |
| CN114284492A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-05 | 齐鲁工业大学 | 一种醌胺/Mxene有机电极材料的制备方法 |
| CN116375491A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-07-04 | 之江实验室 | 一种蜂窝状MXene材料及其制备方法和应用 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105680079A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-06-15 | 合肥工业大学 | 一种用于燃料电池的层状复合质子交换膜的制备方法 |
| CN108565471A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-09-21 | 广东工业大学 | 一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用 |
| CN109449404A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-03-08 | 肇庆市华师大光电产业研究院 | 一种锂硫电池正极材料用硫-氮掺杂碳纳米纤维-MXene复合材料及其制备方法 |
| US20190189884A1 (en) * | 2017-12-18 | 2019-06-20 | Korea Institute Of Science And Technology | Thermoelectric composite material comprising mxene and method for manufacturing the same |
| US20190336932A1 (en) * | 2017-02-17 | 2019-11-07 | Tao Treasures, Llc Dba Nanobiofab | Multi-channel direct-deposit assembly method to high-throughput synthesize three-dimensional macroporous/mesoporous material array |
| CN110864828A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-03-06 | 五邑大学 | 一种银纳米线/MXene柔性应力传感器的制备方法 |
| CN111082051A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-28 | 华南理工大学 | 一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料及制备和应用 |
| CN111276684A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-12 | 东南大学 | 一种碳包覆复合材料的制备方法及其应用 |
-
2020
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105680079A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-06-15 | 合肥工业大学 | 一种用于燃料电池的层状复合质子交换膜的制备方法 |
| US20190336932A1 (en) * | 2017-02-17 | 2019-11-07 | Tao Treasures, Llc Dba Nanobiofab | Multi-channel direct-deposit assembly method to high-throughput synthesize three-dimensional macroporous/mesoporous material array |
| US20190189884A1 (en) * | 2017-12-18 | 2019-06-20 | Korea Institute Of Science And Technology | Thermoelectric composite material comprising mxene and method for manufacturing the same |
| CN108565471A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-09-21 | 广东工业大学 | 一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用 |
| CN109449404A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-03-08 | 肇庆市华师大光电产业研究院 | 一种锂硫电池正极材料用硫-氮掺杂碳纳米纤维-MXene复合材料及其制备方法 |
| CN110864828A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-03-06 | 五邑大学 | 一种银纳米线/MXene柔性应力传感器的制备方法 |
| CN111082051A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-28 | 华南理工大学 | 一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料及制备和应用 |
| CN111276684A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-12 | 东南大学 | 一种碳包覆复合材料的制备方法及其应用 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113005567A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-22 | 同济大学 | 新型MXene修饰的多孔碳纤维复合电极的制备及应用 |
| CN112924506A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-08 | 湖南科技大学 | 一种简易电化学微型传感器的制备方法及其产品与应用 |
| CN113115581A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-13 | 郑州大学 | Ti3C2Tx复合材料及其制备方法 |
| CN113163698A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-23 | 郑州大学 | 一种蜂窝状复合材料及其制备方法 |
| CN113201807A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-03 | 济南大学 | 一种Ti3C2Tx MXene一维空心纳米管及其制备方法和应用 |
| CN114284492A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-05 | 齐鲁工业大学 | 一种醌胺/Mxene有机电极材料的制备方法 |
| CN116375491A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-07-04 | 之江实验室 | 一种蜂窝状MXene材料及其制备方法和应用 |
| CN116375491B (zh) * | 2023-02-23 | 2023-11-28 | 之江实验室 | 一种蜂窝状MXene材料及其制备方法和应用 |
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|---|---|
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