一种单层MXene纳米片/ZIF-67复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种单层MXene纳米片/ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于材料科学和电化学
，具体涉及一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着科学技术的飞速发展，电动汽车、人工智能等许多领域都取得了长足的进步。同时，对储能装置的能量密度、速率能力和循环寿命提出了更高的要求。在众多的储能装置中，商用锂离子电池被认为是最有希望满足日益增长的需求的储能装置之一。目前，锂离子电池发展的主要障碍在于理论容量为372mah g
‑1的石墨阳极。为了有效地提高锂离子电池的性能，寻找替代石墨阳极的新材料是一条必不可少的途径。
[0003]MXenes通常是通过在HF中蚀刻MAX陶瓷粉末A层一段时间来制备。特定的制备方法使MXenes的2D层以
–
O、
–
OH和
–
F表面端基终止。特殊的表面使MXenes具有亲水性。此外，MXenes具有高导电性和大比表面积。因此，MXenes被认为是储能设备的有希望的候选产品。Ti3C2T
x
是研究最广泛的MXene，被认为是一种很有前途的锂离子电池。然而，Ti3C2T
x
的层在锂化/去锂化过程中容易重新堆积，并且Ti3C2T
x
(320mAh g
‑1)的理论容量低于那些高容量阳极，阻碍了其进一步发展。为了防止Ti3C2T
x
层的重新堆叠并提高容量，已经做出了大量的努力。
[0004]由于单个元件不能满足上述优异电化学性能的要求，越来越多地研究构建具有有利协同效应的纳米复合材料来开发锂离子电池的高性能电极。然而，组分间强烈的化学相互作用对纳米复合材料作为电极的电化学行为的影响却鲜有人关注，金属
‑
有机骨架材料(MOFs)作为新兴的无机
‑
有机杂化材料，由于其可调的分子结构和孔径以及高比表面积，近年来在电化学能量相关应用中显示出独特的优势和巨大的潜力。然而，MOF作为锂离子电池负极的探索仍然非常有限。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了提供一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法，使得其应用在锂电池中时可实现更高的可逆容量和更好的倍率性能。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将盐酸溶液与氟化锂在塑料容器中搅拌溶解形成氢氟酸，将钛碳化铝(Ti3AlC2)缓慢加入到上述溶液中，刻蚀剥离铝层；将反应液进行离心、干燥，即得到MXene；
[0009](2)将Ti3C
2 MXene分散去离子水中，并在低温和惰性气氛下超声处理一段时间，即得到单层Ti3C
2 MXene溶液；
[0010](3)将单层Ti3C
2 MXene溶液超声分散在聚乙烯吡咯烷酮溶液中形成A溶液，将六水合硝酸钴在去离子水中形成B溶液，将2
‑
甲基咪唑溶解于去离子水中以形成透明C溶液，然后将B溶液和C溶液加入A溶液中，充分剧烈搅拌一定时间；
[0011](4)将上述溶液依次离心、冷冻干燥，收集沉淀，然后将制备好复合材料前驱体在惰性气氛下退火2h。
[0012]进一步的，步骤(1)中，盐酸溶液的浓度为5
‑
7mg/ml，优选为5.49mg/ml，盐酸溶液为50
‑
70ml，优选为60ml。
[0013]进一步的，步骤(1)中，溶解反应温度为25～45℃，优选为35℃，溶解反应时间为为15
‑
25min，优选为20min。
[0014]进一步的，步骤(1)中，氟化锂的质量为1g，Ti3AlC2的质量为1g。
[0015]进一步的，步骤(1)中，刻蚀反应温度为25～45℃，优选为35℃，刻蚀反应时间为为40
‑
60h，优选为48h。
[0016]进一步的，步骤(1)中，离心处理过程具体为：离心次数为6次，前5次离心转速为3500rpm，时间为5min，最后一次离心转速为5000rpm，时间为30min。
[0017]进一步的，干燥为采用冷冻干燥。
[0018]进一步的，步骤(2)中，步骤(2)中所述Ti3C
2 MXene，去离子水的质量比为1～2：80～120，优选为1：100。
[0019]进一步的，步骤(2)中，超声分层的时间为2h
‑
10h，优选为8h，超声频率为20
‑
30kHz，优选为30kHz。
[0020]进一步的，在N2气氛下反应。
[0021]进一步的，步骤(2)中，超声温度为0
‑
15℃，优选为5℃。
[0022]进一步的，步骤(3)中，Ti3C
2 MXene溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液、六水合硝酸钴溶液、2
‑
甲基咪唑溶液的体积比为1:(0.5
‑
1.5):(0.5
‑
1.5):(0.5
‑
1.5)，优选为1:1:1:1。
[0023]进一步的，步骤(3)中，Ti3C
2 MXene溶液的浓度为5mg mL
‑1，聚乙烯吡咯烷酮溶液的浓度为10mg mL
‑1，六水合硝酸钴的浓度为15mg mL
‑1，2
‑
甲基咪唑溶液的浓度为34mg mL
‑1。
[0024]进一步的，步骤(3)中，原位生长反应的时间为0.5
‑
1.5h，优选为1h，转速为800rpm
‑
1200rpm，优选为1000rpm，。
[0025]进一步的，步骤(4)中，离心处理过程具体为：离心转速为10000rpm，时间为10min。
[0026]进一步的，步骤(4)中所述的干燥为冷冻干燥，所述的冷冻干燥的时间为48h
‑
60h，优选55h。
[0027]进一步的，步骤(4)中，煅烧的温度为200
‑
500℃，优选为350℃，时间为1
‑
3h，优选为2h。
[0028]进一步的，煅烧气氛是氮气。
[0029]单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料在锂电池中的应用。
[0030]本专利技术将通过原位生长制备了一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料，在复合材料中，分布在单层MXene纳米片间的ZIF
‑
67纳米立方体防止了MXene纳米片再堆积，增强了Ti3C2T
x
基体纵向结构的稳定性。作为基底，单层Ti3C2T...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将盐酸溶液与氟化锂在容器中搅拌溶解形成氢氟酸，将Ti3AlC2加入到上述溶液中，刻蚀剥离铝层，将反应液进行离心、干燥，即得到Ti3C2MXene；(2)将Ti3C2MXene分散在去离子水中，并在低温下超声处理一段时间，即得到单层Ti3C2MXene溶液；(3)将单层Ti3C2MXene溶液超声分散在聚乙烯吡咯烷酮溶液中形成A溶液，将六水合硝酸钴在去离子水中形成B溶液，将2
‑
甲基咪唑溶解于去离子水中以形成C溶液，然后将B溶液和C溶液加入A溶液中，充分剧烈搅拌一定时间；(4)将上述溶液依次离心、冷冻干燥，收集沉淀，然后将制备好的复合材料前驱体在惰性气氛下退火，即得到产品。2.根据权利要求1所述的一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，盐酸溶液的浓度为5
‑
7mg/ml，盐酸溶液与氟化锂、Ti3AlC2的用量配比为50
‑
70ml：1g：1g。3.根据权利要求1所述的一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，溶解反应温度为25～45℃，溶解反应时间为为15
‑
25min。4.根据权利要求1所述的一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，刻蚀反应温度为25～45℃，刻蚀反应时间为40
‑
60h。5.根据权利要求1所述的一种单层MXene纳米片/ZIF
‑
67复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，离心处理过程具体为：离心次数为5
‑
8次，前几次离心转速为3000
‑
4000rp...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺华林，罗宇，孔玥，陈永恒，张文轩，陈江梅，黄燕山，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：