本发明专利技术公开了一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法及其在锂离子电池和钠离子电池中的应用。其制备方法包括MXene材料的制备以及对MXene材料进行氮掺杂两个步骤，其中本发明专利技术公开了对MXene材料进行氮掺杂的溶剂热法、热处理法、等离子处理法以及微波辐照气相法。本发明专利技术通过多种方法制备的氮掺杂MXene材料，具有良好的导电性能、循环稳定性能、倍率性能以及较高的比表面积，适用于锂离子电池或钠离子电池的大规模开发和应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电池
，特别涉及一种MXene电池负极材料的制备方法及其应用。
技术介绍
随着现代社会的高速发展，传统能源日益枯竭，寻找新的清洁能源变得更为迫切。锂离子电池由于具有高的能量密度、功率密度、工作电压高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长、无污染等独特优势，迅速发展成一种最重要和最先进的二次电池。目前商品化的锂离子电池负极材料大多采用价格便宜、热稳定性好、环境友好的石墨化碳材料，但由于石墨的嵌锂电位比较低，容易导致电解液的分解以及枝晶锂的析出，引发一系列的安全问题。因此，需要寻找比碳材料嵌锂电位更高、廉价易得、安全可靠的新的负极材料。另一方面，地壳中钠元素的储量是极为丰富的（地壳中金属元素排名第四，占总储量的2.64%），而且价格低廉，与锂元素处于同一主族，化学性质相似，电极电势也比较接近。因此，钠离子电池掀起新一轮研究热潮。目前，探寻高容量及优异循环性能的钠离子电池负极材料成为电池研究领域新的热点。由于钠离子的半径比锂离子大，在锂离子电池中达到商业应用的石墨碳负极材料由于其层间距较小（0.335 nm）而不能满足钠离子的自由脱嵌，无法应用于钠离子电池中。而无序化的、层间距较大的硬碳类材料则更适合用作钠离子电池负极材料，其储钠机理主要是通过钠离子的在片层之间的脱嵌以及在硬碳中微孔中聚集的方式进行的，比容量最高可以达到300mAh/g。但是，循环稳定性仍然较差，不能满足实际应用的需要。MXene是一种新型过渡金属碳化物二维晶体，具有和石墨烯类似的结构。化学式为Mn+1Xn，其中n=1、2或3，M为早期过渡金属元素，X为碳或/和氮元素。这一类材料可以通过氢氟酸解离层状陶瓷材料MAX相获得，具有良好的导电性，低的离子扩散阻力，低开路电压和高的存储容量，同时，能够很好地将电池行为与赝电容行为结合，从而进一步提高容量，非常适合作为锂离子电池或钠离子电池负极材料。通过氮掺杂后，MXene中部分C原子被N原子取代，表面具有大量的缺陷，使其比容量、倍率性能、循环稳定性能等进一步提高。
技术实现思路
为了弥补上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供氮掺杂MXene材料的制备方法和其在锂离子电池和钠离子电池中的应用。本专利技术提供了一种氮掺杂MXene电池负极材料材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一， MXene材料的制备：将MAX相以0.02~0.2g/ml的配比浓度加入氢氟酸溶液中，在室温下搅拌一定时间，除去MAX相中的A原子层，取下层固体，用去离子水洗涤并离心，至PH值为5~7；在60~120oC真空干燥8~48h；将干燥后的粉体置于热处理炉中，通入H2/Ar混合气，在400~800oC热处理1~4h；制得所述MXene材料；步骤二，对步骤一制得的MXene材料进行氮掺杂；其中，所述MXene材料为一种过渡金属碳化物或碳氮化物二维晶体，其化学式为Mn+1Xn，n=1、2或3，M为早期过渡金属元素，X为碳或/和氮元素。所述MAX为一种化学式为Mn+1AXn的三元层状化合物，其中M、X、n与MXene材料中的M、X、n相同，A为第三、第四主族元素。进一步地，所述MAX相为Ti3AlC2，Ti2AlC，V2AlC或Nb2AlC；步骤一制备出的MXene材料对应的分别为Ti3C2，Ti2C，V2C或Nb2C。进一步地，本专利技术采用了多种方法对步骤一制得的MXene材料进行氮掺杂，其中方法一为溶剂热法，具体为：将所述步骤一制得的MXene粉体和还原性含氮溶剂置于反应釜中进行水热反应，之后进行高温处理得到所述氮掺杂MXene材料；其中还原性含氮溶剂为：以尿素为氮源、丙酮肟为还原剂的混合溶剂。本专利技术采用的氮掺杂的方法二为N2热处理法，具体为：将所述步骤一制得的MXene材料置于热处理炉中，通入H2/N2混合气体，在600~1200oC热处理2~8h，制得氮掺杂MXene材料。本专利技术采用的氮掺杂的方法三为NH3热处理法，所述NH3热处理法为：将所述步骤一制得的MXene材料置于热处理炉中，以1:1的流速通入NH3/Ar和H2/Ar混合气体，在400~1000oC热处理1~6h，制得所述氮掺杂MXene材料。本专利技术采用的氮掺杂的方法四为等离子处理法，具体为：将所述步骤一制得的MXene材料分散入壳聚糖中，所述MXene材料与壳聚糖的质量比为1~6:1，将该分散液涂抹于玻碳电极上，将其置于高能态的N2等离子气体流中，气体流接触到MXene表面时，使部分碳原子被氮原子取代，制得所述氮掺杂MXene材料；其中置于高能态的N2等离子气体流中的处理时间为1~3min，氮掺杂MXene材料的氮含量0.08wt.%~1.3wt.%。本专利技术采用的氮掺杂的方法五为微波辐照气相法，具体为：将所述步骤一制得的MXene材料分散于饱和碳酸铵溶液中，搅拌浸渍12~36h，过滤后得到MXene插层化合物滤饼，将所得MXene插层化合物滤饼在35~70oC真空干燥，然后将盛有干燥后的MXene插层化合物的容器置于微波炉中，满功率下辐照1~3min，制得氮掺杂MXene材料。本专利技术还提供了通过以上制备方法制得的氮掺杂MXene电池负极材料。并使用该电池负极采用，制作成锂离子电池或钠离子电池，本专利技术提供了以氮掺杂MXene为电池负极材料制作锂离子电池或钠离子电池的方法。本专利技术制备的氮掺杂MXene电池负极材料具有良好的导电性，低的离子扩散阻力，低开路电压和高的存储容量，同时，能够很好地将电池行为与赝电容行为结合，从而进一步提高容量，非常适合作为锂离子电池和钠离子电池负极材料。本专利技术制备方法中通过氮掺杂，使MXene表面具有大量的缺陷，容量进一步提高，相比未进行氮掺杂的MXene材料，比容量增长能够达到45%。附图说明图1为应用例1中未掺杂氮的MXene材料Ti3C2为负极材料制得的钠离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。图2为应用例1中氮掺杂MXene材料N-Ti3C2为负极材料制得的钠离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。图3为应用例2中未掺杂氮的MXene材料Ti3C2为负极材料制得的锂离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。图4为应用例2中氮掺杂MXene材料N-Ti3C2为负极材料制得的钠离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。图5为应用例3中未掺杂氮的MXene材料Ti3C2为负极材料制得的钠离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。图6为应用例3中氮掺杂MXene材料N-Ti3C2为负极材料制得的钠离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。图7为应用例4中未掺杂氮的MXene材料Ti3C2为负极材料制得的锂离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。图8为应用例4中氮掺杂MXene材料N-Ti3C2为负极材料制得的钠离子电池在电流密度0.5A/g、电压范围0.01～3V时的循环伏安曲线。具体实施方式下面通过具体的实施例进一步说明本专利技术，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，所述MXene材料的制备：将MAX相以0.02~0.2g/ml的配比浓度加入氢氟酸溶液中，在室温下搅拌一定时间，除去MAX相中的A原子层，取下层固体，用去离子水洗涤并离心，至PH值为5~7；在60~120oC真空干燥8~48h；将干燥后的粉体置于热处理炉中，通入H2/Ar混合气，在400~800oC热处理1~4h；制得所述MXene材料；步骤二，对所述MXene材料进行氮掺杂，制得所述氮掺杂MXene电池负极材料；其中，所述MXene材料为一种过渡金属碳化物或碳氮化物二维晶体，其化学式为Mn+1Xn，n=1、2或3，M为早期过渡金属元素，X为碳或/和氮元素；其中，所述MAX为一种化学式为Mn+1AXn的三元层状化合物，其中M、X、n与MXene材料中的M、X、n相同，A为第三或第四主族元素。
【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，所述MXene材料的制备：将MAX相以0.02~0.2g/ml的配比浓度加入氢氟酸溶液中，在室温下搅拌一定时间，除去MAX相中的A原子层，取下层固体，用去离子水洗涤并离心，至PH值为5~7；在60~120oC真空干燥8~48h；将干燥后的粉体置于热处理炉中，通入H2/Ar混合气，在400~800oC热处理1~4h；制得所述MXene材料；步骤二，对所述MXene材料进行氮掺杂，制得所述氮掺杂MXene电池负极材料；其中，所述MXene材料为一种过渡金属碳化物或碳氮化物二维晶体，其化学式为Mn+1Xn，n=1、2或3，M为早期过渡金属元素，X为碳或/和氮元素；其中，所述MAX为一种化学式为Mn+1AXn的三元层状化合物，其中M、X、n与MXene材料中的M、X、n相同，A为第三或第四主族元素。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述MAX相为Ti3AlC2，Ti2AlC，V2AlC或Nb2AlC；步骤一制备出的MXene材料对应的分别为Ti3C2，Ti2C，V2C或Nb2C。3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤二对所述MXene材料进行氮掺杂的方法为溶剂热法，所述溶剂热法为：将所述步骤一制得的MXene粉体和还原性含氮溶剂置于反应釜中进行水热反应，之后进行高温处理得到所述氮掺杂MXene电池负极材料；其中所述还原性含氮溶剂为：以尿素为氮源、丙酮肟为还原剂的混合溶剂。4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤二对所述MXene材料进行氮掺杂的方法为N2热处理法，所述N2热处理法为：将所述步骤一制得的MXene材料置于热处理炉中，通入H2/N2混合气体，在600~1200oC热处理2~8h，制得所述氮掺杂MXene电池负极材...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜银珠，郝梦倩，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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