一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法。本发明专利技术利用氟化钠与盐酸的混合溶液刻蚀MAX相陶瓷粉末得到二维碳化物MXene；采用水热法合成纳米碳球。将MXene、阳离子表面活性剂与纳米碳球通过静电相互作用制成混合溶液，室温下搅拌、离心、干燥，即得纳米碳球支撑MXene复合材料粉体。制备方法简单、安全、成本低。本发明专利技术采用纳米碳球支撑MXene复合材料作为镁电池正极材料，不仅能够扩大MXene的层间距，暴露更多的表面活性位点，而且增加了离子传输通道，同时又解决了循环过程中MXene片层堆叠团聚的问题，进而大幅度提升了MXene的储镁容量，具有良好的循环稳定性，是一种优异的镁电池正极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法
本专利技术属于新型能源存储领域，具体涉及一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其在镁电池中的应用方法。
技术介绍
镁二次电池作为未来最具发展前景的替代传统锂离子电池的新体系之一，具有比容量高、能量密度大、资源丰富、安全性好且无污染等优点，但其研究仍处于初级阶段。与锂离子相比，镁二价离子较高的电荷密度和较强的溶剂化作用限制了其在正极材料中的可逆脱嵌，从而导致材料的储镁容量低，循环性能差。因此，寻找合适的正极材料是镁离子电池的研究关键问题之一。迄今为止，应用于镁二次电池的正极材料主要有Chevrel相MxMo6T8(M为金属，T为硫或硒)、硅酸锰镁、过渡金属氧化物和硫化物等几种。其中，研究最多的为Chevrel相MxMo6T8(D.Levi,E.Lancry,H.Gizbar,etal.KineticandthermodynamicstudiesofMg2+andLi+ioninsertintotheMo6S8chevrelphase.JournalofElectrochemicalSociety,2004,151(7):A1044-1051)，其可逆循环性能优异，但制备要求高，条件苛刻，不易操作。介孔硅酸锰镁(Mg1.03Mn0.97SiO4)作为镁电池正极材料(Y.N.Nuli,J.Yang,Y.S.Li,etal.Mesoporousmagnesiummanganesesilicateascathodematerialsforrechargeablemagnesiumbatteries,ChemicalCommunications,2010,46:3794)，其储镁容量在0.2C时可达301.4mAh/g(1C＝314mA/g)，但其循环性能较差(<20次)。以二氧化钛为代表的过渡金属氧化物作为镁电池正极材料，安全环保、操作简便，在0.2C(1C＝168mA/g)电流密度下，90个循环容量保持在～145mAh/g，但在稍大电流密度下容量迅速衰减，利用价值不高。刘永畅等(Y.C.Liu,L-Z.Fan,L.F.Jiao.Grapheneintercalatedingraphene-likeMoS2:ApromisingcathodeforrechargeableMgbatteries,JournalofPowerSources,2017,340:104-110)将MoS2与石墨烯复合用作镁电池正极材料，操作简便，初始容量高、安全性好，但是循环寿命较短(<50次)。因此，研究一种安全、环保、容量高、循环性能好的镁电池正极材料非常重要且非常有必要。MXene是一种具有类石墨烯结构的新型二维层状过渡金属碳化物或碳氮化物纳米材料，一般通过化学液相法刻蚀掉前驱体MAX相中的A元素得到(M＝过渡金属元素，A＝第IIIA/IVA元素，X＝碳或氮元素)。由于MXene种类的多样性以及优异的物理和化学特性，近年来引起了广泛的研究，尤其是在能源存储与转换领域展现出了诸多的应用潜力。迄今为止，MXene家族包括Ti3C2、Ti2C、Mo2C、(Ti0.5Nb0.5)2C、Ti3CN、Sc2C、Ta4C3、Nb2C、V2C和Nb4C3等，被广泛地应用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、传感器等诸多
阎兴斌课题组分别利用阳离子表面活性剂插层MXene(M.Xu,S.Lei,J.Qi,etal.OpeningMagnesiumStorageCapabilityofTwo-DimensionalMXenebyIntercalationofCationicSurfactant,ACSnano,2018,12(4):3733-3740)以及制备MoS2/MXene的复合材料(M.Xu,N.Bai,H.X.Li,etal.SynthesisofMXene-supportedlayeredMoS2withenhancedelectrochemicalperformanceforMgbatteries,ChineseChemicalLetters,2018,29(8):1313-1316)作为正极材料应用于镁离子电池中，然而MXene潜在的储能空间并没有被完全利用，使得所得材料的储镁比容量较低(96mAh/g，50mA/g)，循环寿命较短(<50次)。如果能将MXene材料的层间距进一步扩大，其储镁性能有望得到大幅度提升。现有技术研究的工作主要是基于二维片状MXene原位生长TiO2纳米复合材料[ZL201710324865.7]，以APC+LiCl为电解液的镁电池方面的性能，很少有研究以APC为电解液，将纳米碳球支撑MXene作为镁电池正极材料的储镁性能。采用纳米碳球支撑MXene作为镁电池的正极材料,不仅能够最大限度的打开MXene层间距，暴露更多的表面活性位点，而且增加了离子传输通道，实现了Mg2+的有效脱嵌，同时解决了循环过程中MXene片层堆叠团聚的问题。将其作为镁离子电池正极材料，大幅度提升了MXene的储镁容量，表现出优异的循环稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其在镁电池中的应用方法。基于上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)MXene粉末的制备：将MAX相陶瓷粉末浸没在一定浓度的氟化钠与盐酸的混合溶液中反应，反应温度90℃～110℃、反应时间48～96小时，然后将沉淀依次用去离子水和乙醇离心清洗至滤液为中性，干燥后所得固体粉末即为二维碳化物MXene。所述MAX相粉末的质量与氟化钠/盐酸混合溶液的体积比为1g:20mL；所述氟化钠与盐酸混合溶液的浓度为6mol/L。(2)纳米碳球的制备：将一定量的葡萄糖与去离子水按照0.9g:10mL的比例混合、溶解。然后转移至反应釜中，160℃～180℃下反应4～6h，冷却至室温后进行离心，干燥，即可得到纳米碳球。(3)纳米碳球支撑MXene复合材料的制备：将二维碳化物MXene、阳离子表面活性剂和一定质量的纳米碳球制成混合溶液。室温下，搅拌上述混合溶液，将所得溶液离心、干燥，即得纳米碳球支撑MXene复合材料粉体。进一步地，所述二维碳化物为Ti3C2、Ti2C或V2C。纳米碳球含量为5wt％～10wt％。进一步地，阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、溴化二甲基苄基十二烷基铵、N,N二甲基十二烷基胺、十八烷基三甲基氯化铵中的其中一种，且所加阳离子表面活性剂的含量为0.1wt％。采用上述制备方法所得纳米碳球支撑MXene复合材料的应用方法。其特征在于，上述所得纳米碳球支撑MXene复合材料作为电极材料应用在镁电池中，组装镁电池时，按照二次镁电池正极材料:乙炔黑(super-P):粘结剂(PVDF，5wt％)＝8:1:1的比例混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，研磨成浆，均匀涂膜(1～2mg/cm2)后制成电极，80℃下真空干燥12h。以AZ31Mg片为负极，0.4mol/L的苯基氯化镁和氯化铝的四氢呋喃溶液作电解液(即APC电解液)，在手套箱中组装镁电池。本专利技术纳米碳球支撑MX本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：(1)MXene粉末的制备：将MAX相陶瓷粉末浸没在一定浓度的氟化钠与盐酸的混合溶液中反应，反应温度90℃～110℃、反应时间48～96小时，然后将沉淀依次用去离子水和乙醇离心清洗，干燥后所得固体粉末即为二维碳化物MXene；所述MAX相粉末的质量与氟化钠/盐酸混合溶液的体积比为1g:20mL；所述氟化钠与盐酸的混合溶液的浓度为6mol/L；(2)纳米碳球的制备：将一定量的葡萄糖与去离子水按照0.9g:10mL的比例混合、溶解；然后转移至反应釜中，160℃～180℃下反应4～6h，冷却至室温后进行离心，干燥，即可得到纳米碳球；(3)纳米碳球支撑MXene复合材料的制备：将二维碳化物MXene、阳离子表面活性剂与一定质量的纳米碳球制成混合溶液；室温下搅拌数小时，最后将所得溶液离心，干燥，即可得纳米碳球支撑MXene复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：(1)MXene粉末的制备：将MAX相陶瓷粉末浸没在一定浓度的氟化钠与盐酸的混合溶液中反应，反应温度90℃～110℃、反应时间48～96小时，然后将沉淀依次用去离子水和乙醇离心清洗，干燥后所得固体粉末即为二维碳化物MXene；所述MAX相粉末的质量与氟化钠/盐酸混合溶液的体积比为1g:20mL；所述氟化钠与盐酸的混合溶液的浓度为6mol/L；(2)纳米碳球的制备：将一定量的葡萄糖与去离子水按照0.9g:10mL的比例混合、溶解；然后转移至反应釜中，160℃～180℃下反应4～6h，冷却至室温后进行离心，干燥，即可得到纳米碳球；(3)纳米碳球支撑MXene复合材料的制备：将二维碳化物MXene、阳离子表面活性剂与一定质量的纳米碳球制成混合溶液；室温下搅拌数小时，最后将所得溶液离心，干燥，即可得纳米碳球支撑MXene复合材料。2.根据权利要求1所述纳米碳球支撑MXene复合材料的制备方法，其特征在于，所述二维碳化物MX...

【专利技术属性】
技术研发人员：范丽珍，刘凡凡，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11