一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料及其制备方法，将Ti

Carbon microsphere as transition layer titanium carbide in situ growth CNTs three-dimensional composite material and preparation method thereof

The invention relates to a carbon microsphere as a transition layer titanium carbide in situ growth CNTs three-dimensional composite material and a preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料及其制备方法
本专利技术属于纳米功能材料的制备
，特别地涉及一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料及其制备方法。
技术介绍
最近，一类被称为MXene的材料的发现扩展了二维材料的族群，即过渡金属碳化物或碳氮化物，其结构与石墨烯类似。MXene材料可通过腐蚀除去MAX相中的A层元素，并保持原来的MX结构不变而获得，如Ti3C2、Ti2C等。MXene以其高导电性、大比表面积、多层结构、良好的化学稳定性及环境友好性，在锂离子电池、超级电容器、光催化和传感器等领域有着很大的应用潜力。在吸附领域，Peng等研究表明碱金属插层的Ti3C2对有毒重金属Pb2+有优异的吸附性能，可用于有效地净化饮用水。Ti3C2的吸附性能与其表面丰富的活化羟基和大的比表面积密切相关，具有吸附量大，吸附速率快，灵敏度高以及可逆吸附的特点。Ti3C2对Pb2+的吸附能力不会受到溶液中其他高浓度离子(如Ca2+、Mg2+等)的影响。Ti3C2以其独特的层状结构有望在治理有害离子、重金属及有机污染物等方面发挥出巨大的作用。作为新型储能材料，在锂离子电池和超级电容器上，近年来对于MXenes的研究也有很多。Naguib等将Ti2CTx应用于LIBs电极上，在C/25的倍率下，其比容量为225mAh/g；以1C进行80次循环充放电后，其充比容量为110mAh/g；以3C进行120次循环充放电后，其比容量为80mAh/g；以10C进行200次循环充放电后，其充电容量为70mAh/g。MXene纳米材料自身良好的导电性和二维层状结构是其电化学性能优异的源泉。然而Ti3C2纳米材料自身导电性和比容量偏低，导致其电化学性能欠佳，MXene基电化学电容器的应用也有待进一步探究。碳纳米管是典型的一维量子材料，具有良好的导电、力学、热学性能，以及很高的环境稳定性(耐强酸、强碱腐蚀)和结构稳定性，使其在锂离子电池、超级电容器、传感器和吸波等领域有着广泛的应用。由于碳纳米管具有优越的电学及力学性能，被认为是复合材料的理想添加相。碳纳米管作为加强相和导电相，在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力。Zhao等通过交替过滤MXene和CNT分散液制制备出柔性三明治状MXene/CNT复合纸电极，对比纯的MXene与CNT任意比例混合得到的MXene/CNT纸，该电极的电化学性能显著提高。Yan等将Ti3C2浸没在二甲基亚砜中经磁力搅拌、间歇超声处理等一系列过程得到Ti3C2薄片，将商用CNTs经过超声处理得到稳定悬液，然后将Ti3C2薄片与CNTs通过超声处理以不同质量比充分混合，而后将混合液过滤、干燥得到Ti3C2/CNT复合材料；但是商用CNTs的价格比较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料及其制备方法，采用葡萄糖作为碳源，制得的三维复合材料电化学性能好。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：包括以下步骤：(1)将Ti3C2纳米粉体分散于超纯水中，分散均匀后再加入葡萄糖，搅拌5～30min后进行水热反应，得Ti3C2@C复合材料；其中Ti3C2纳米粉体和葡萄糖的质量比为(0.05～0.2)：(0.1～0.4)；(2)将Ti3C2@C复合材料加入到超纯水中，分散均匀后再加入Co(NO3)2·6H2O，搅拌反应2～6h；反应结束后再加入尿素，在恒定温度下持续搅拌蒸发掉水分，得到前驱体粉末，其中Ti3C2@C复合材料、Co(NO3)2·6H2O和尿素的质量比为(0.2～0.5)：(0.1～0.4)：(3.0～30.0)；将前驱体粉末进行热处理，得到炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料。进一步地，步骤(1)中Ti3C2纳米粉体和超纯水之比为(50～200)mg：(10～60)mL。进一步地，步骤(1)中Ti3C2纳米粉体加入超纯水中超声分散30min再加入葡萄糖。进一步地，步骤(1)中水热反应是在160～200℃反应8～24h。进一步地，步骤(2)中每200～500mgTi3C2@C复合材料加入到100～400mL超纯水中。进一步地，步骤(2)中的恒定温度在60～100℃之间。进一步地，步骤(2)中的热处理在Ar的保护下进行。进一步地，热处理温度为600～1000℃，时间为0.5～3h。进一步地，热处理的升温速率为3～5℃/min。一种利用如上所述的制备方法制得的炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术首先利用水热法制备出Ti3C2@C复合材料，Ti3C2表面的C可保护Ti3C2结构的完整性，且其主要以炭微球形式存在，均匀包覆在Ti3C2表面，通过控制水热反应温度、时间及葡萄糖含量，可实现Ti3C2表面炭微球形貌及化学组成的调控，炭微球表面含有大量含氧官能团且亲水性很强；而后采用简单热解法制备出Ti3C2@C@CNTs三维复合材料，这种方法能够低成本、快捷、环保、安全的通过改变前驱体中尿素的含量，从而实现Ti3C2表面CNTs长度及密度的可控生长。较之直接在Ti3C2表面生长出CNTs制备出Ti3C2@CNTs的方法，在Ti3C2表面包覆炭微球层后再生长CNTs，更易实现Ti3C2@CNTs三维复合材料的可控制备，且生长出的CNTs质量更高，从而Ti3C2@CNTs的电化学性能、吸波性能、光催化等性能也更佳，为其进一步在锂离子电池、光催化、吸波等领域的应用奠定了基础。此外，这种简单热解法由于其对设备要求低、操作简便、成本低廉等优势，有利于实现工业化大规模生产。搜索文献，发现至今尚未有人在Ti3C2表面原位生长出碳纳米管，且实现Ti3C2表面碳纳米管的可控生长。本专利技术三维复合材料是由二维层状Ti3C2、过渡层炭微球及生长于Ti3C2表面的分布密度高的多壁碳纳米管组成，在Ti3C2表面生长出碳纳米管，利用碳纳米管提供电子传输通道，提高材料的导电率，而Ti3C2可提高碳纳米管间的传输能力，从而有效解决了一维碳纳米管和二维Ti3C2的热与电子传输的方向依赖性和较低的面外传导性，使复合材料在三维空间都具有良好的电性能。本专利技术制备的三维复合材料在电化学储能材料、吸波材料和催化剂载体等上具有重要的使用价值。【附图说明】图1为实施例1制备的Ti3C2@C@CNTs三维复合材料的SEM图(a)和XRD图(b)。图2为实施例1制备的Ti3C2@C@CNTs6.0三维复合材料(a)在不同扫速(0.002V/s-0.1V/s)下的CV曲线图；(b)为其容量随扫速的变化曲线。图3分别是葡萄糖加入量为0.4g以及0.1g时Ti3C2@C@CNTs三维复合材料的SEM图，其中(a)为0.4g，(b)为0.1g。【具体实施方式】下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步详细说明。以上所述的Ti3C2@C@CNTs三维复合材料的制备包括下述步骤：步骤一，三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体的制备；按照专利ZL201310497696.9的方法合成三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体：首先，将实验原料TiC、Ti、Al粉体按照摩尔比为TiC：Ti：Al＝2.0：1.0：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将Ti

【技术特征摘要】
1.一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将Ti3C2纳米粉体分散于超纯水中，分散均匀后再加入葡萄糖，搅拌5～30min后进行水热反应，得Ti3C2@C复合材料；其中Ti3C2纳米粉体和葡萄糖的质量比为(0.05～0.2)：(0.1～0.4)；(2)将Ti3C2@C复合材料加入到超纯水中，分散均匀后再加入Co(NO3)2·6H2O，搅拌反应2～6h；反应结束后再加入尿素，在恒定温度下持续搅拌蒸发掉水分，得到前驱体粉末，其中Ti3C2@C复合材料、Co(NO3)2·6H2O和尿素的质量比为(0.2～0.5)：(0.1～0.4)：(3.0～30.0)；将前驱体粉末进行热处理，得到炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料。2.根据权利要求1所述的一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中Ti3C2纳米粉体和超纯水之比为(50～200)mg：(10～60)mL。3.根据权利要求1所述的一种炭微球作为过渡层碳化钛原位生长CNTs三维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中Ti3C2纳米粉体加入超纯水中超声分散30m...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建锋，李学林，王雷，秦毅，武文玲，吕文静，卫丹，王芬，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61