MXene水凝胶及其液相组装方法技术

一种MXene水凝胶及其液相组装方法，该水凝胶通过包括如下质量份组分的原料反应得到，其中，MXene(1～20)份、氧化石墨烯(0.5～1)份、引发剂(0.1～0.5)份。本发明专利技术在常见还原剂的辅助下，利用部分还原的氧化石墨烯片层将MXene纳米片交联，定向引导MXene的液相组装，获得三维结构稳定、体积收缩的MXene水凝胶，发展了MXene的三维液相组装方法，为构建三维MXene宏观体提供了一种灵活性强、可控性高的方法，极大地拓宽了MXene基宏观材料的应用空间，对二维材料MXene的进一步发展意义深远。

【技术实现步骤摘要】
MXene水凝胶及其液相组装方法
本专利技术属于二维材料组装
，尤其涉及一种MXene水凝胶及其液相组装方法。
技术介绍
MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或氮化物，通过氟盐和盐酸或氢氟酸刻蚀MAX相除去活泼金属元素而剥离得到，用Mn+1XnT表示。它具有独特的二维层状结构，这种类型的石墨烯结构为离子的嵌入/脱出提供了扩散通道，在锂离子电池和超级电容器中具有广泛的应用前景。同时，MXene材料有着巨大的比表面积、较高的电导率、良好的电解液润湿性及较强的抗拉抗压能力、较高的密度(3.7g/cm3)，使其作为超级电容器电极材料展现出优越的电化学性能，尤其在体积性能方面优势突出。然而，与其他二维材料一样，MXene的层状结构也带来了一系列问题，因层层堆叠大大降低了其比表面积的利用率。一些基于MXene的复合材料的设计和开发有效改善了这一问题，比如采用交替抽滤方法制备的柔性“三明治”结构Ti3C2Tx/CNT、Ti3C2Tx/rGO、Ti3C2Tx/OLC复合膜，但有限的片层间距调控方式仍不利于MXene的进一步发展。在储能领域，设计MXene三维多孔结构，通过调控片层的组装方式构建合理的电子传导网络和离子传输通道，提升其有效比表面积，减少材料内部离子穿梭的曲折度，优化离子传输效率，是提高其储能器件电极厚度的有效方式，有望解决在器件水平上体积能量密度不高的问题。加之，三维组装是常用的改善二维材料片层堆叠问题的策略之一，三维多孔网络具有相互贯通离子通道、较大的比表面积、丰富的孔层次等特点，在储能、吸附等领域均有更强的优势，因此如何基于二维层状材料构建三维多孔网络对拓展MXene的应用空间尤为重要。然而，MXene材料由于片层柔韧性不如石墨烯，本身是很难像石墨烯那样构成三维结构的石墨烯水凝胶，但是目前人们迫切希望寻找一种方法构筑出类似于石墨烯那样的三维MXene结构。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的之一在于提出一种MXene水凝胶及其液相组装方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供了一种MXene水凝胶，通过包括如下质量份组分的原料反应得到，其中，MXene(1～20)份、氧化石墨烯(0.5～1)份、引发剂(0.1～0.5)份。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种MXene水凝胶液相组装方法，包括将引发剂加入到MXene和氧化石墨烯混合溶液中反应得到MXene水凝胶。作为本专利技术的又一个方面，还提供了一种三维MXene块体，该三维MXene块体是将所述的水凝胶或用所述的方法制备的水凝胶进行干燥后获得的。作为本专利技术的再一个方面，还提供了该三维MXene块体在储能或吸附领域的应用。基于上述技术方案可知，本专利技术的MXene水凝胶相对于现有技术至少具有以下优势之一：(1)本专利技术在常见还原剂的辅助下，利用部分还原的氧化石墨烯片层将MXene纳米片交联，定向引导MXene的液相组装，获得基于MXene的三维结构稳定、体积收缩的水凝胶，发展了MXene的三维液相组装方法，为构建三维MXene宏观体提供了一种灵活性强、可控性高的方法；(2)本专利技术提出了“双亲性”氧化石墨烯在MXene液相组装中的交联和协同作用，有效降低构筑MXene基三维连通网络的分散液浓度阙值，进而实现了二维纳米片堆叠问题的高效抑制；(3)利用该新型二维晶体MXene水凝胶的组装方法获得的水凝胶，还可进一步通过对水分脱除方式的调控得到孔径分布、密度截然不同的两种三维多孔材料——MXene泡沫和硬棒，MXene泡沫和MXene硬棒的比表面积分别为10～180m2/g和80～250m2/g，密度分别为20～30mg/cm3和1.5～2.5g/cm3，极大地拓宽了MXene基宏观材料的应用空间，对二维材料MXene的进一步发展意义深远。附图说明图1为本专利技术中MXene水凝胶成胶前(左图)后(右图)示意图；图2为本专利技术中MXene三维泡沫(A图)和MXene硬棒(B图)外观形貌示意图；图3为本专利技术中MXene三维泡沫结构的SEM结构表征图；图4为本专利技术MXene硬棒结构的SEM结构表征图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种MXene水凝胶，通过包括如下质量份组分的原料反应得到，其中，MXene(1～20)份、氧化石墨烯(0.5～1)份、引发剂(0.1～0.5)份。优选的，MXene与氧化石墨烯的质量比为(1～10)∶1。优选的，该引发剂包括氨水、乙二胺、氢氧化钠、乙二硫醇、间苯三酚、半胱氨酸、抗坏血酸、氢碘酸、亚硫酸氢钠、硫化钠中的至少一种。优选的，氧化石墨烯采用改良的Hummer’s法制得。本专利技术还公开了一种MXene水凝胶的液相组装方法，包括：将引发剂加入到MXene和氧化石墨烯混合溶液中反应得到MXene水凝胶。优选的，MXene和氧化石墨烯混合溶液为MXene分散液与氧化石墨烯分散液在氩气气氛下超声得到的均匀混合分散液，优选MXene分散液与氧化石墨烯分散液在冰水浴中通氩气超声。优选的，引发剂浓度为10～100mmol/L。优选的，混合溶液中MXene的浓度为1～20mg/mL。优选的，混合溶液中氧化石墨烯的浓度为0.5～2mg/mL。优选的，MXene分散液是将MAX原材料放入到溶于盐酸的LiF溶液中刻蚀得到的。优选的，反应条件为常压恒温，恒温温度为50～100℃，反应持续时间为6～24h。本专利技术还公开了一种三维MXene块体，其是通过将如上所述的MXene水凝胶进行干燥后得到。优选的，其干燥方法为冷冻干燥或毛细蒸发干燥。优选的，通过冷冻干燥方法得到的三维MXene块体为MXene三维泡沫结构，其比表面积为10～180m2/g，密度为20～30mg/cm3；通过毛细蒸发干燥得到的三维MXene块体为MXene硬棒结构，其比表面积为80～250m2/g，密度为1.5～2.5g/cm3。优选的，先将MXene水凝胶用去离子水清洗除杂后再进行干燥。本专利技术还公开了一种如上所述的三维MXene块体在储能、吸附领域的应用。在一个优选实施方式中，本专利技术采用如下技术方案：步骤一、取MAX原材料，在溶于盐酸的LiF溶液中刻蚀得到MXene分散液；步骤二、采用改良的Hummer’s法制得氧化石墨烯分散液；步骤三、将步骤一得到的MXene分散液与步骤二得到的氧化石墨烯分散液混合，并在冰水浴中通氩气保护下超声30min，得到均匀的混合分散液一；步骤四、在步骤三得到的混合分散液中加入的引发剂，搅拌均匀，得到混合分散液二；步骤五、将步骤四得到的混合分散液加入到密闭容器中进行常压恒温反应，得到基于MXene的水凝胶；步骤六、将步骤五得到的水凝胶用去离子水清洗除杂后，进行冷冻干燥或毛细蒸发干燥脱除水分，得到基于MXene的三维泡沫或硬棒(冻干得到大孔泡沫，毛细蒸发干燥则得到微孔硬棒)。作为上述组装方法的一种改进，步骤三的混合分散液一中，MXene与氧化石墨烯的质量比为(1～10)∶1。作为上述组装方法的一种改进，步骤三的混合分散液一中，氧化石墨烯的浓度为0.5～2mg/mL。作为上述组装方法的一种改进，步骤三的混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MXene水凝胶，通过包括如下质量份组分的原料反应得到，其中，MXene(1～20)份、氧化石墨烯(0.5～1)份、引发剂(0.1～0.5)份。

【技术特征摘要】
1.一种MXene水凝胶，通过包括如下质量份组分的原料反应得到，其中，MXene(1～20)份、氧化石墨烯(0.5～1)份、引发剂(0.1～0.5)份。2.根据权利要求1所述的MXene水凝胶，其特征在于，所述MXene与氧化石墨烯的质量比为(1～10)：1。3.根据权利要求1所述的MXene水凝胶，其特征在于，所述引发剂包括氨水、乙二胺、氢氧化钠、乙二硫醇、间苯三酚、半胱氨酸、抗坏血酸、氢碘酸、亚硫酸氢钠、硫化钠中的至少一种。4.根据权利要求1所述的MXene水凝胶，其特征在于，所述的氧化石墨烯采用改良的Hummer’s法制得。5.如权利要求1～4任一项所述的MXene水凝胶的液相组装方法，包括将引发剂加入到MXene和氧化石墨烯混合溶液中反应得到MXene水凝胶。6.根据权利要求5所述的组装方法，其特征在于，所述引发剂浓度为10～100mmol/L；作为优选，所述混合溶液中MXene的浓度为1～20mg/mL；作为优选，所述混合溶液中氧化石墨烯的浓度为0.5～2mg/mL。7.根据权利要求5所述的组装方法，其特征在于，所述MXene和氧化石墨烯混合溶液为MX...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨全红，尚童鑫，陶莹，戚昌盛，刘啸尘，吴志坦，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12