一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)嵌段聚合物自组装：本发明专利技术先采用聚环氧乙烷

【技术实现步骤摘要】
一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及电容去离子化的电极材料领域，尤其涉及一种含面内柱状介孔的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，电容去离子化(CDI)作为一种低能耗、无污染的脱盐技术，已成为解决淡水危机的有效方法。目前研究最广泛的CDI电极材料是多孔碳材料。但是，纯碳材料理论电容量较低，极大地限制了材料的脱盐容量(SAC)。其次，大多数多孔碳材料都是微孔结构，电解液在微孔内部的传输速率慢，导致材料的传质速率慢，从而降低脱盐速率(SAR)。
[0003]MXene(Ti3C2)具有高比电容和良好的导电性，因此其作为脱盐电极材料，有望实现高的脱盐容量。但是研究表明，MXene纳米片很容易发生堆叠，使得内部活性材料的利用率低；并且MXene容易被氧化，导致容量快速下降。研究发现，在MXene纳米片表面涂覆一层聚合物，形成MXene/聚合物二维复合纳米片，不仅能有效防止纳米片堆叠，聚合物层还可以作为保护层，防止MXene的氧化。此外，合理选择聚合物组分(例如氧化还原活性聚合物)，能赋予材料优异的离子选择性和离子吸附能力，从而提高SAC和SAR。然而，已报道的MXene
‑
聚合物复合纳米片仅限于在MXene片上覆盖致密的聚合物层，材料比表面积受到限制，导致容量无法进一步提高；同时，致密的聚合物层导致电解质离子向MXene内部空间的扩散受到限制，传质速率慢，导致材料的脱盐速率低。
[0004]因此，本领域的技术人员致力于开发一种在聚多巴胺层构造多孔结构，在保留氧化还原电容特性和离子选择性的基础上，增大比表面积，增加活性位点，从而提高电极材料的脱盐容量。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是利用MXene片高比容量和高导电性，改善传统CDI电极材料的低脱盐容量。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)嵌段聚合物自组装：本专利技术先采用聚环氧乙烷
‑
嵌段
‑
聚环氧丙烷
‑
嵌段
‑
聚环氧乙烷PEO
20
‑
b
‑
PPO
70
‑
b
‑
PEO
20
三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板：将P123溶于去离子水中，搅拌，形成柱状胶束溶液；
[0008](2)柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片mPDA/MXene的制备：向上述聚合物溶液中加入MXene溶液，搅拌后加入盐酸多巴胺DA
·
HCl，连续搅拌1小时，加入三羟甲基氨基甲烷Tris，从而将溶液调节至pH为8.5；将氨水溶液滴加到混合物中以引发多巴胺的聚合反应；用乙醇和水洗涤并离心，最后经过冷冻干燥，获得mPDA/MXene。
[0009]进一步地，步骤1中将100mg所述P123溶于40mL所述去离子水中，在40℃下搅拌2小
时，形成所述柱状胶束溶液。
[0010]进一步地，步骤2中向所述聚合物溶液中加入6mL的所述MXene溶液，搅拌1小时后加入100mg所述盐酸多巴胺。
[0011]进一步地，所述MXene溶液的浓度为2mg/mL。
[0012]进一步地，步骤2中加入所述三羟甲基氨基甲烷的加入量为100mg。
[0013]进一步地，步骤2中将200μL所述氨水溶液滴加到所述混合物中以引发多巴胺的聚合反应。
[0014]进一步地，反应时间为12小时。
[0015]本专利技术还提供上述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料在CDI电池的应用，包括以下步骤：
[0016]所述mPDA/MXene作为储Na
+
电极，活性炭作为储Cl
‑
电极，组装成一个CDI电池。
[0017]进一步地，还包括以下步骤：电极材料的制备：质量比为70％:20％:10％的活性物质、导电炭黑和PVDF，在NMP溶剂中混合形成浆料；将所述浆料滴在石墨纸上，在60℃下干燥12h，获得CDI电极材料。
[0018]进一步地，所述石墨纸的面积为2.5
×
2.5cm2。
[0019]本专利技术利用MXene片高比容量和高导电性，改善传统CDI电极材料的低脱盐容量；本专利技术在聚多巴胺层构造多孔结构，在保留氧化还原电容特性和离子选择性的基础上，增大比表面积，增加活性位点，从而提高材料的脱盐容量；本专利技术在MXene/聚多巴胺纳米片上构筑面内柱状介孔结构，使得电解质能够沿着柱状孔传输到堆叠的二维复合材料内部，从而提高内部活性物质的利用率和电解质传输效率，提高材料的脱盐性能；本专利技术结合二维MXene、导电高分子和柱状孔的特点，将该复合纳米片应用于CDI电极材料，具有极高的SAC(48mg
·
g
‑1)和SAR(1.33mg
·
g
‑1·
min
‑1)，在脱盐材料领域有广阔的应用前景。
[0020]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
附图说明
[0021]图1是本专利技术的一个较佳实施例的mPDA/MXene的专利技术原理图；
[0022]图2是本专利技术的一个较佳实施例的mPDA/MXene的扫描电子显微镜图；
[0023]图3是本专利技术的一个较佳实施例的mPDA/MXene的原子力显微镜图。
具体实施方式
[0024]以下参考说明书附图介绍本专利技术的优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0025]本专利技术报道了一种以嵌段共聚物为模板，在MXene表面构筑具有柱状介孔的聚多巴胺层，形成具有介孔结构的MXene/PDA二维复合纳米片。MXene具有高电容量，聚多巴胺层提供了氧化还原电容特性和Na
+
离子选择性，且避免了MXene的自堆积和氧化。嵌段共聚物作为软模板，其自组装形成的柱状胶束可以向聚多巴胺层引入介孔通道，提供了高比表面积和大量离子传输通道，在CDI电极材料领域展现出优异的性能。具体制备过程如下，还可参考图1：
[0026](1)嵌段聚合物自组装：本专利技术先采用聚环氧乙烷
‑
嵌段
‑
聚环氧丙烷
‑
嵌段
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聚环氧乙烷(PEO
20
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b
‑
PPO
70
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b
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PEO
20
)三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板。将100本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)嵌段聚合物自组装：本发明先采用聚环氧乙烷
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嵌段
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聚环氧丙烷
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嵌段
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聚环氧乙烷PEO
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b
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PPO
70
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b
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PEO
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三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板：将P123溶于去离子水中，搅拌，形成柱状胶束溶液；(2)柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片mPDA/MXene的制备：向上述聚合物溶液中加入MXene溶液，搅拌后加入盐酸多巴胺DA
·
HCl，连续搅拌1小时，加入三羟甲基氨基甲烷Tris，从而将溶液调节至pH为8.5；将氨水溶液滴加到混合物中以引发多巴胺的聚合反应；用乙醇和水洗涤并离心，最后经过冷冻干燥，获得所述mPDA/MXene。2.如权利要求1所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中将100mg所述P123溶于40mL所述去离子水中，在40℃下搅拌2小时，形成所述柱状胶束溶液。3.如权利要求1所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中向所述聚合物溶液中加入6mL的所述MXen...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨骐绮，麦亦勇，李倩，李晨，向洛兴，刘亚美，刘睿懿，姜思琦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：