一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料及其制备方法与应用。本发明专利技术以过渡金属氯化物为前驱体，将其溶于溶剂后逐滴加入含有葡萄糖、氯化铵和导电碳纤维的混合粉末中，干燥后进行微波处理，制备了可应用于能源转换、催化转化、先进陶瓷、高性能储能织物领域的二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料。通过上述方式，本发明专利技术能够利用微波辐射导电碳纤维诱导葡萄糖发生糖吹反应，直接在导电碳纤维表面生长二维过渡金属碳化物，从而简单快速地制备了二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料。同时，本发明专利技术通过调节前驱体的种类和反应程度，能够对复合材料中二维过渡金属碳化物的种类、尺寸及负载量进行调控，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及过渡金属碳化物
，特别是涉及一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
由于过渡金属碳化物具有较高的结构稳定性、导电性及导热性，其在能源存储、催化转化、先进陶瓷等领域极具研究价值和应用前景。尤其是在超级电容器领域，过渡金属碳化物的类金属高导电性、结构稳定性和表面氧化还原反应，使其较传统电极材料具有更高的倍率性、能量及功率输出。与体相过渡金属碳化物相比，二维过渡金属碳化物较大的层间距和比表面积能够使其将更多活性位点暴露于电解液中，缩短离子传输距离，实现更高比电容性能，成为理想的超级电容器电极材料。同时，二维过渡金属碳化物的高密度、高电导性、优异的体积比电容等特性，也使其在高性能储能织物研究中极具优势和潜力，如何将二维过渡金属碳化物与织物或纤维有效复合也成为了当前的研究热点。公开号为CN101371988A的专利提供了一种过渡金属碳化物催化材料的制备方法及应用，该专利通过将过渡金属化合物和载体炭材料混合，得到过渡金属碳化物前驱体；并在惰性气氛或还原气氛下，通过微波热解得到负载于炭材料上的过渡金属碳化物催化材料，使该催化材料在燃料电池电极反应和多种催化反应中显示出较高的活性。但该方法对气氛的要求较高，且微波热解过程耗时相对较长、产物尺寸不易调控，不适合工业化大规模生产，导致应用受限。公开号为CN111043950A的专利提供了一种基于MXenes/高分子导电碳纤维复合膜的柔性应变传感器及其制备方法，该专利通过将高分子纤维膜浸入过渡金属碳化物MXenes的分散液中，使过渡金属碳化物浸涂于高分子纤维膜表面，形成过渡金属碳化物/高分子导电碳纤维复合膜。然而，由于过渡金属碳化物仅通过浸涂附着于高分子纤维膜表面，其结合作用不足，在实际应用中易于脱落，整体耐劳度较差。公开号为CN109449404A的专利提供了一种硫-氮掺杂碳纳米纤维-MXene复合材料，该专利通过将过渡金属碳化物与聚丙烯腈共混后进行静电纺丝，制备了MXene掺杂聚丙烯腈纳米纤维。但该专利通过纺丝法得到的复合材料中过渡金属碳化物的负载量较低，在实际应用中具有一定的局限性。有鉴于此，当前仍有必要提供一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料及其制备方法，以解决上述问题。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料及其制备方法与应用。通过微波辐射导电碳纤维诱导葡萄糖发生糖吹反应，直接在导电碳纤维表面生长二维过渡金属碳化物，从而简单快速地制备二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料；并通过调节前驱体的种类和反应程度，对所得复合材料中的二维过渡金属碳化物的种类、尺寸及负载量进行调控，使其能够满足能源转换、催化转化、先进陶瓷或高性能储能织物领域的应用需求。为实现上述目的，本专利技术提供了一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1、以过渡金属氯化物为反应前驱体，将其按预设的质量体积比溶于乙醇中，得到前驱体溶液；S2、将葡萄糖与氯化铵按预设摩尔比混合均匀，得到第一混合粉末；再将所述第一混合粉末与导电碳纤维按预设质量比混合，并充分碾碎使其混合均匀，得到第二混合粉末；S3、将步骤S1得到的所述前驱体溶液逐滴加入步骤S2得到的所述第二混合粉末中，待滴加完毕后进行干燥处理，得到第三混合粉末；S4、对步骤S3得到的所述第三混合粉末进行微波处理，得到二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料。进一步地，在步骤S1中，所述预设的质量体积比为(150～400)mg:5mL。更进一步地，在步骤S3中，所述前驱体溶液的体积与所述第二混合粉末的质量之比为5mL:(400～500)mg。进一步地，在步骤S2中，葡萄糖与氯化铵的所述预设摩尔比为1:(0.8～1.2)。进一步地，在步骤S2中，所述第一混合粉末与导电碳纤维的所述预设质量比为1:(1～5)。进一步地，在步骤S4中，所述微波处理的功率为450～900W，处理时间为30～120s。进一步地，在步骤S3中，所述干燥处理为在室温下真空干燥1～3h。为实现上述目的，本专利技术提供了一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料，该复合材料根据上述技术方案中任一技术方案制备得到。进一步地，所述复合材料中，所述二维过渡金属碳化物的尺寸为10～200μm；所述二维过渡金属碳化物包括但不限于碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化铌、碳化钒中的一种。为实现上述目的，本专利技术还提供了上述二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料在能源转换、催化转化、先进陶瓷、高性能储能织物领域的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用微波辐射导电碳纤维诱导葡萄糖发生糖吹反应，直接在导电碳纤维表面生长二维过渡金属碳化物，能够简单快速地制备二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料。同时，本专利技术通过调节前驱体的种类和反应程度，能够对所得复合材料中的二维过渡金属碳化物的种类、尺寸及负载量进行调控，从而使制得的复合材料能够满足能源转换、催化转化、先进陶瓷或高性能储能织物领域的应用需求。2、本专利技术通过将含有过渡金属氯化物的前驱体溶液滴入含有葡萄糖、氯化铵与导电碳纤维的混合粉末中，并进行微波处理，能够利用微波辐射导电碳纤维，诱导葡萄糖发生糖吹反应，使葡萄糖快速升温碳化，生成富含缺陷及官能团的石墨烯结构，引发微波热冲均匀反应；并借助氯化铵受热分解过程产生气体、发生膨胀，引发自身应力诱导弛豫效应，使势能转化为热能，形成气泡、涟漪和凹面等现象，构成取向性拓扑结构。取向性拓扑结构与微波热冲反应协同作用，使其表面氧缺陷和官能团偶极子不停旋转，动能转化为热能导致瞬间均匀高温，从而促使过渡金属前驱体迅速反应生成均匀、稳定的过渡金属碳化物。同时，在上述反应过程中，气体的释放和鼓泡促使气泡变得越来越薄，气泡表面也逐渐转化为极薄的过渡金属碳化物，从而在导电碳纤维表面形成二维结构的过渡金属碳化物。此外，在微波处理过程中可以通过调节微波的功率和微波处理的时间对糖吹反应过程中气泡的变形程度进行控制，进而实现对二维过渡金属碳化物尺寸及负载量的调控，使制得的二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料能够满足实际应用的需求。3、本专利技术提供的二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料的制备方法步骤简单、反应迅速、成本低廉，能够工业化大规模生产；本专利技术制得的二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料中二维过渡金属碳化物负载量较高，具有优异的电化学性能，且该性能易于调控，能够满足不同领域的需求，应用前景广阔。附图说明图1中a和b分别为实施例1制备的二维碳化钛/导电碳纤维复合材料的电子显微镜图像与扫描电子显微镜图像；图2是实施例1制备的二维碳化钛/导电碳纤维复合材料的电化学性能测试图；图3中a、b、c分别为实施例2～4制备的二维碳化钛/导电碳纤维复合材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、以过渡金属氯化物为反应前驱体，将其按预设的质量体积比溶于乙醇中，得到前驱体溶液；/nS2、将葡萄糖与氯化铵按预设摩尔比混合均匀，得到第一混合粉末；再将所述第一混合粉末与导电碳纤维按预设质量比混合，并充分碾碎使其混合均匀，得到第二混合粉末；/nS3、将步骤S1得到的所述前驱体溶液逐滴加入步骤S2得到的所述第二混合粉末中，待滴加完毕后进行干燥处理，得到第三混合粉末；/nS4、对步骤S3得到的所述第三混合粉末进行微波处理，得到二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以过渡金属氯化物为反应前驱体，将其按预设的质量体积比溶于乙醇中，得到前驱体溶液；
S2、将葡萄糖与氯化铵按预设摩尔比混合均匀，得到第一混合粉末；再将所述第一混合粉末与导电碳纤维按预设质量比混合，并充分碾碎使其混合均匀，得到第二混合粉末；
S3、将步骤S1得到的所述前驱体溶液逐滴加入步骤S2得到的所述第二混合粉末中，待滴加完毕后进行干燥处理，得到第三混合粉末；
S4、对步骤S3得到的所述第三混合粉末进行微波处理，得到二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述预设的质量体积比为(150～400)mg:5mL。


3.根据权利要求2所述的一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述前驱体溶液的体积与所述第二混合粉末的质量之比为5mL:(400～500)mg。


4.根据权利要求1或3所述的一种二维过渡金属碳化物/导电碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，葡萄糖与氯化铵的所述预设摩尔比为1:(0.8～1.2)。


5.根据权利要求1所述的一种二维过渡金属碳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：万骏，李俊锋，肖志恒，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42