一种新型二维过渡金属硼化物及其制备方法与作为储能电极材料的应用技术

本发明专利技术公开一种新型二维过渡金属硼化物，所述金属硼化物的结构式表示为MxBy

【技术实现步骤摘要】
一种新型二维过渡金属硼化物及其制备方法与作为储能电极材料的应用


[0001]本专利技术属于材料化学
，尤其是一种新型二维过渡金属硼化物及其制备方法与作为储能电极材料的应用。

技术介绍

[0002]二维结构的材料近年来引起了科研人员的广泛关注。MXene是其中极具代表性的一种，它于2011年由美国德雷塞尔(Drexel)大学的Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授共同发现，主要由过渡金属碳化物或者氮化物组成。其化学通式为M
n+1
X
n
T
X
,其中(n＝1
‑
3)，M代表过渡金属元素，如Ti、V、Cr、Mn等；X代表C或N元素，T
x
为表面基团，可以是
‑
OH，
‑
O，
‑
F等。MXene的制备可以通过化学蚀刻或者机械剥离层间结合力较弱的三维材料得到，目前普遍使用的是氢氟酸刻蚀MAX相的方法。得益于它独特的结构和组成，MXene材料在催化、新能源等领域已经得到了广泛的应用。MBene是继MXene材料广泛研究与应用之后被发现的新型二维金属硼化物材料。通过对过渡金属硼化物(MAB相)选择性刻蚀Al层，可以制备得到二维过渡金属硼化物(MBene)。这一材料不仅表面带有大量的F、O等强电负性原子，而且本身含有过渡金属原子和硼原子。研究人员已经通过量化计算证实了MBene材料有很好的吸附和催化转化功能，对离子的传输也有很好的促进作用，在储能或者催化领域具有广阔的应用前景。但是由于缺少适宜的制备有更多金属暴露点的MBene方法以及制备的MBene材料纯度不高，目前将MBene材料应用于储能领域的研究鲜有报道。
[0003]众所周知，随着全球能源危机和环境问题的日益严重，减少对化石燃料的依赖，发展环境友好和高效的新能源储能器件迫在眉睫。新兴的储能器件(如锂电池)，在当今社会中发挥着越来越重要的作用，广泛地应用在电动汽车、移动设备、航天军工等诸多领域。虽然科研人员已经对储能器件的不足之处不断改进和解决，但其仍然面临着成本高、能量密度低等诸多问题。储能器件中的电极材料往往成本占比高，因此开发一种成本低廉，性能优异的正极材料十分重要。
[0004]鉴于此，探索新型二维MBene材料合适的制备方法，并将其应用于储能电池领域开发低成本、性能优异的储能电极具有重要意义。
[0005]通过检索，尚未发现与本专利技术专利申请相关的专利公开文献。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种新型二维过渡金属硼化物、制备方法与作为储能电极材料的应用。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种新型二维过渡金属硼化物(MBene)，所述金属硼化物的结构式表示为MxBy
‑
Tz，其中，M为钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞；B为硼元素，T为金属硼化物材料表面带有的官能团；其中，x、y、z是
MxBy
‑
Tz中原子个数的角标，x＝1～5，y＝1～5，z＝1～5。
[0009]进一步地，所述T为酯基、羰基、羟基、羧基、醛基、醚基、硝基、氨基、碳酸酯基、异氰酸酯、腈基、酰胺基、磺酸基、双键、三键、卤素原子或S
‑
S键；
[0010]或者，所述金属硼化物材料的结构是单层的或者为多层的，其形貌如图1(多层)、图2(单层)所示；
[0011]或者，由金属硼化物材料衍生出的材料的结构是纳米片、纳米花、量子点、核壳结构、三明治夹层结构或多孔膜形貌。
[0012]如上所述的新型二维过渡金属硼化物的制备方法，包括如下步骤：
[0013]步骤一：将氟化锂与质量浓度为0.1
‑
37％的盐酸混合，得混合溶液；或者，直接用质量分数为0.1
‑
40wt％的氢氟酸作为刻蚀溶液；
[0014]步骤二：将MBene的前驱体金属铝硼化合物MAB缓慢加入上述溶液中，搅拌；
[0015]步骤三：所得溶液经离心、过滤、洗涤后，进行进一步后处理，得到二维过渡金属硼化物。
[0016]进一步地，所述氢氟酸或氟化锂的质量浓度均为0.1
‑
99％；
[0017]或者，所述MBene的前驱体金属铝硼化合物MAB中的M为钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金或汞；A代表铝元素，B代表硼元素；
[0018]或者，所述后处理的方法为：超声、煅烧、蒸馏、冻干、高温高压处理、干燥、萃取、升华中的一种或者几种；
[0019]或者，在进行后处理时所用的溶剂是甲醇、乙醇、叔丁醇、苯、甲苯、二硫化碳、四氯化碳、二氯甲烷、三氯甲烷、去离子水、乙醚、甲基丙烯酸酯、丙酮、石油醚、丁酮、二甲苯、冰醋酸、N,N
‑
二甲基甲酰胺、四乙二醇二甲醚、1,3
‑
二氧五环、吡啶、吡咯、丙三醇、甲醛或乙醛；
[0020]或者，步骤一中氟化锂：质量浓度为0.1
‑
37％的盐酸的质量比为1：1
‑
1:99；步骤二中金属铝硼化合物的添加量占溶液总质量的0.1
‑
99％。
[0021]如上所述的新型二维过渡金属硼化物在作为和/或制备储能电极材料中的应用。
[0022]进一步地，所述二维过渡金属硼化物在作为储能电极材料时，能够应用在锂电池、钠电池、钾电池、铝电池、锌电池、镁电池、水分解制氢、燃料电池、超级电容器或太阳能电池中。
[0023]利用如上所述的二维过渡金属硼化物的储能电极材料，所述材料是通过将二维过渡金属硼化物与活性物质进行混合，然后再加入导电剂和粘结剂制备得到的，其制备包括以下步骤：
[0024]步骤一：将二维过渡金属硼化物与正极活性物质进行混合，其中，正极活性物质占两者混合物的质量分数为1
‑
99wt％；其中，所述混合的方法为熔融共混、溶液共混、乳液共混、干粉共混、化学共混或者机械共混的方法；
[0025]步骤二：将步骤一得到的混合物与导电剂、粘结剂均匀混合，再加入溶剂，制成浆料；其中，混合物：导电剂：粘结剂的质量比为6
‑
9：0.5
‑
3：0.5
‑
1；
[0026]步骤三：将步骤二得到的浆料涂敷在集流体上，干燥后对辊处理，然后裁片，得到正极片；
[0027]步骤四：将步骤三得到的正极片与隔膜、负极组合，加入液态电解液组装成电池；或者将正极片、固态电解质、负极组装成固态电池。
[0028]进一步地，所述活性物质为以下任意一种：锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、镍钴酸锂和镍锰酸锂二元材料、硅酸铁锂、硫、多硫化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型二维过渡金属硼化物，其特征在于：所述金属硼化物的结构式表示为MxBy
‑
Tz，其中，M为钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞；B为硼元素，T为金属硼化物材料表面带有的官能团；其中，x、y、z是MxBy
‑
Tz中原子个数的角标，x＝1～5，y＝1～5，z＝1～5。2.根据权利要求1所述的新型二维过渡金属硼化物，其特征在于：所述T为酯基、羰基、羟基、羧基、醛基、醚基、硝基、氨基、碳酸酯基、异氰酸酯、腈基、酰胺基、磺酸基、双键、三键、卤素原子或S
‑
S键；或者，所述金属硼化物材料的结构是单层的或者为多层的；或者，由金属硼化物材料衍生出的材料的结构是纳米片、纳米花、量子点、核壳结构、三明治夹层结构或多孔膜形貌。3.如权利要求1或2所述的新型二维过渡金属硼化物的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：将氟化锂与质量浓度为0.1
‑
37％的盐酸混合，得混合溶液；或者，直接用质量分数为0.1
‑
40wt％的氢氟酸作为刻蚀溶液；步骤二：将MBene的前驱体金属铝硼化合物MAB缓慢加入上述溶液中，搅拌；步骤三：所得溶液经离心、过滤、洗涤后，进行进一步后处理，得到二维过渡金属硼化物。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述氢氟酸或氟化锂的质量浓度均为0.1
‑
99％；或者，所述MBene的前驱体金属铝硼化合物MAB中的M为钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金或汞；A代表铝元素，B代表硼元素；或者，所述后处理的方法为：超声、煅烧、蒸馏、冻干、高温高压处理、干燥、萃取、升华中的一种或者几种；或者，在进行后处理时所用的溶剂是甲醇、乙醇、叔丁醇、苯、甲苯、二硫化碳、四氯化碳、二氯甲烷、三氯甲烷、去离子水、乙醚、甲基丙烯酸酯、丙酮、石油醚、丁酮、二甲苯、冰醋酸、N,N
‑
二甲基甲酰胺、四乙二醇二甲醚、1,3
‑
二氧五环、吡啶、吡咯、丙三醇、甲醛或乙醛；或者，步骤一中氟化锂：质量浓度为0.1
‑
37％的盐酸的质量比为1：1
‑
1:99；步骤二中金属铝硼化合物的添加量占溶液总质量的0.1
‑
99％。5.如权利要求1或2所述的新型二维过渡金属硼化物在作为和/或制备储能电极材料中的应用。6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述二维过渡金属硼化物在作为储能电极材料时，能够应用在锂电池、钠电池、钾电池、铝电池、锌电池、镁电池、水分解制氢、燃料电池、超级电容器或太阳能电池中。7.利用如权利要求1或2所述的二维过渡金属硼化物的储能电极材料，其特征在于：所述材料是通过将二维过渡金属硼化物与活性物质进行混合，然后再加入导电剂和粘结剂制备得到的，其制备包括以下步骤：步骤一：将二维过渡金属硼化物与正极活性物质进行混合，其中，正极活性物质占两者混合物的质量分数为1
‑
99wt％；其中，所述混合的方法为熔融共混、溶液共混、乳液共混、干<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辽云，李振逢，曾庆辉，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：