MXene三维组装体、其制备方法及应用技术

一种MXene三维组装体、其制备方法及应用。该MXene三维组装体的制备方法包括：将模板剂分散液加入MXene分散液中，搅拌混合，然后经过滤、干燥，致密成型处理，除去模板剂后，得到MXene三维组装体。本发明专利技术利用模板颗粒对MXene片层的静电作用力和空间阻隔作用，调控MXene片层的组装方式，抑制MXene纳米片的“面对面”组装，引导其“面对边”和“边对边”组装，从而构建了MXene三维多孔网络，有效提升MXene的比表面积、活性位点利用率，改善用作电化学储能材料时电极的离子传输速率，赋予其更大的应用潜力。

MXene three-dimensional assembly, preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
MXene三维组装体、其制备方法及应用
本专利技术涉及储能材料制备领域，尤其涉及一种MXene三维组装体、其制备方法及应用。
技术介绍
MXene(化学通式Mn+1Xn，其中n＝1、2、3，M为过渡金属元素钛、钽或铬等，X为碳或氮元素)，作为一种二维过渡纳米薄片的新型晶体化合物，因具有较大的理论比表面积、较高的电导率、良好的电解液润湿性及较好的机械强度等优异特性，在储能领域具有广阔的应用前景。例如，可作为电极材料应用于超级电容器中，提供超高的赝电容；作为负极材料应用于碱金属离子电池(如锂离子电池、钠离子电池等)中，表现出良好的倍率性能和循环稳定性；也可以作为活性物质的有效载体应用于锂硫电池和锂空气电池中，形成导电网络，提供优越的化学活性位点。但二维MXene片层易堆叠团聚，极大地降低了其有效比表面积与活性位点。在电化学储能应用中，作为电极活性物质不利于电化学性能的发挥，同时二维层状材料中离子传输路径长，且片层间距的不足进一步阻碍离子传输速度，影响了整个电极的动力学过程。尽管研究者们在增大片层间距方面做了大量研究，但仍难以满足储能器件提出的高质量能量密度和高体积能量密度的要求，因此，针对二维MXene层状材料，如何构建快速离子传输通道，充分发挥二维MXene材料的优势，仍是当前面临的巨大挑战。
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三维组装体、其制备方法及应用，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三维组装体的制备方法，包括以下步骤：一、将模板剂分散液加入MXene分散液中，混合，得到混合分散液A；二、将得到的混合分散液A进行过滤、干燥，得到复合材料B；三、将得到的复合材料B进行致密成型处理，得到复合材料C；四、将得到的复合材料C中的模板剂除去，得到MXene三维组装体。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种所述方法制得的MXene三维组装体，所述MXene三维组装体具有孔隙结构，比表面积为50～300m2/g，孔容为0.02～0.5cm3/g，块体密度为0.5～3g/cm3。作为本专利技术的又一个方面，还提供了一种所述的MXene三维组装体在储能领域中的应用。作为本专利技术的再一个方面，还提供了一种超级电容器，所述超级电容器的电极材料采用所述的MXene三维组装体。作为本专利技术的一个方面，还提供了一种电池，所述电池中包含有所述的MXene三维组装体。基于上述技术方案可知，本专利技术的MXene三维组装体、其制备方法及应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：1、本专利技术旨在提供一种MXene三维组装体的制备方法，其利用模板颗粒对MXene片层的静电作用力和空间阻隔作用，调控MXene片层的组装方式，抑制MXene纳米片的“面对面”组装，引导其“面对边”和“边对边”组装，从而构建了MXene三维多孔网络，有效提升MXene的比表面积、活性位点利用率，改善用作电化学储能材料时电极的离子传输速率，赋予其更大的应用潜力。2、本专利技术通过对模板剂类型、用量的有效控制，可实现对MXene三维组装体多孔结构的精准设计，从而针对不同尺寸的离子进行孔道结构设计，提高了其在不同离子储能体系中的适用性。此外，该制备方法条件温和、操作简单，绿色无污染，易于实现产业化。3、本专利技术利用致密成型处理，通过机械挤压使MXene三维组装体在成型的同时更加致密化，有效提升了该材料在储能应用中的体积能量密度。通过简单的成型过程，不仅构建了基于MXene的三维多孔块体，还获得了较高的材料密度，有助于兼顾目前对储能器件质量能量密度和体积能量密度的需求。将三维MXene用于离子液体系超级电容器性能测试，其质量能量密度为5～20Wh/kg，体积能量密度为9～36Wh/L。附图说明图1为实施例1制备的MXene三维组装体的SEM图；图2为实施例1制备的MXene三维组装体的氮气吸、脱附等温线(77K)图；图3为实施例1制备的MXene三维组装体的孔径分布曲线图；图4为实施例1制备的MXene三维组装体在EMImBF4中的充放电曲线图；图5为原料MXene在EMImBF4中的充放电曲线图；图6A为实施例1制备的MXene三维组装体材料外观形貌图；图6B为实施例1制备的MXene三维组装体材料的抗压效果图；图7为对比例1制备的MXene组装体材料的SEM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三维组装体的制备方法，包含以下步骤：一、将模板剂分散液加入MXene分散液中，混合得到混合分散液A；二、将得到的混合分散液A进行过滤、干燥，得到复合材料B；三、将得到的复合材料B进行致密成型处理，得到复合材料C；四、将得到的复合材料C中的模板剂除去，得到MXene三维组装体。其中，步骤一中，所述MXene分散液的质量浓度为0.5～10mg/mL；本专利技术研究发现：若MXene分散液的质量浓度大于10mg/mL，可能导致MXene片层局部堆叠团聚，不利于调控其组装。其中，步骤一中，所述模板剂分散液的质量浓度为5～20mg/mL；本专利技术研究发现：若质量浓度大于20mg/mL，则模板剂容易团聚，团聚后的模板剂粒径大大增加，不利于形成稳定的孔结构。其中，步骤一中，所述MXene与模板剂的质量比为10∶(1～100)，通过控制两者的质量比例可以调控最终形成的MXene三维组装体孔道的丰富度。其中步骤一中，所述搅拌混合的时间为6～24h。其中，所述模板剂表面电性显正电，能够与带负电的MXene片层存在静电作用，通过调控模板剂的粒径，可以控制所形成的MXene三维组装体的孔径大小。其中，所述模板剂为表面电性显正电的高分子聚合物、二氧化硅或碳酸钙中的任一种。其中，所述表面电性显正电的高分子聚合物为聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。其中，所述模板剂的粒径为100～300nm；本专利技术研究发现：若模板剂的粒径大于300nm，则模板剂容易团聚，调控形成的孔径过大，不利于形成稳定的孔结构，若模板剂的粒径小于100nm，则调控形成的孔径过小，无法显著地改变MXene的组装形式。其中，步骤二中，所述过滤步骤采用真空抽滤，时间为0.5～3h。其中，步骤二中，所述干燥的温度为60～80℃，干燥时间为2～12h。其中，步骤三中，通过致密成型的方式得到致密的复合材料C时，所用致密成型的机械压力为0.1～10MPa。其中，所述致密成型为等静压成型、干压成型、模具成型中的一种或两种以上的组合，例如为模具成型。其中，所述模具成型所用的模具形状为圆柱体或立方体。其中，步骤三中，所述去除模板的方法为本
常用的去除模板方法，本专利技术中优选采用高温热处理、碱处理或酸处理中的任一种，为确保模板剂完全被去除，对于不同的模板剂，对应采用的去除模板的方法不同。其中，所述高温热处理的温度为400～800℃，保温时间为0.5～5h。本专利技术还公开了一种由上述方法制备得到的MXene三维组装体，所述MXene三维组装体具有丰富的孔隙结构，比表面积为50～300m2/g，孔容为0.02～0.5cm3/g，块体密度为0.5～3g/cm3。本专利技术还公开了将制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MXene三维组装体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：一、将模板剂分散液加入MXene分散液中，混合得到混合分散液A；二、将得到的混合分散液A进行过滤、干燥，得到复合材料B；三、将得到的复合材料B进行致密成型处理，得到复合材料C；四、将得到的复合材料C中的模板剂除去，得到MXene三维组装体。

【技术特征摘要】
2019.04.24 CN 20191033331121.一种MXene三维组装体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：一、将模板剂分散液加入MXene分散液中，混合得到混合分散液A；二、将得到的混合分散液A进行过滤、干燥，得到复合材料B；三、将得到的复合材料B进行致密成型处理，得到复合材料C；四、将得到的复合材料C中的模板剂除去，得到MXene三维组装体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述MXene分散液的质量浓度为0.5～10mg/mL；优选地，所述模板剂分散液的质量浓度为5～20mg/mL；优选地，所述MXene与模板剂的质量比为10∶(1～100)。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述搅拌混合的时间为6～24h；优选地，所述模板剂为表面电性显正电的高分子聚合物、二氧化硅或碳酸钙中的任一种；进一步优选地，所述高分子聚合物为聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯；优选地，所述模板剂的粒径为100～300nm。4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述过滤步骤采用真空抽滤，时间为0.5～3h；优选地，所述干燥的温度为60～80℃，干燥时间为2～12h；优选地，所述干燥为真空干燥。5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，...

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