一种三维氮掺杂MXene超级电容器电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维氮掺杂MXene超级电容器电极材料及其制备方法和应用，所述材料由单层MXene与氮源经自组装反应制备得到，所述电极材料的微观形貌是呈离散状分布的若干纳米片层；所述纳米片层的层厚在1nm～2nm；每个所述的纳米片层都具有无规则的褶皱和/或卷曲。本发明专利技术制备的三维氮掺杂MXene具有褶皱结构，避免MXene在制备过程中片层重新堆垛塌陷的问题，提高MXene的比表面积，用作超级电容器的电极材料，具有优异的导电性能、更高的电容容量、循环稳定性能以及倍率性能，适用于高性能超级电容器的大规模开发和应用。能超级电容器的大规模开发和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种三维氮掺杂MXene超级电容器电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于能源材料领域，尤其涉及一种三维氮掺杂MXene超级电容器电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超级电容器作为新一代能量存储设备，具备使用寿命长、能量密度高、快充快放等优势，引起了人们巨大的研究兴趣。活性电极物质是超级电容器的核心材料，直接影响能量存储设备的电化学性能，所以寻找具有新颖结构的电极材料成为超级电容器发展的关键。
[0003]近年来二维材料的蓬勃发展，涌现出一大批即石墨烯后的新型二维材料，如：二硫化钼、黑鳞、六方氮化硼、MXene等二维纳米材料，由于其独特的结构以及物理和化学性能，具有重要的研究价值与意义，尤其是MXene更将二维材料的研究推向更高的层次。不同于其他无机非金属二维材料，MXene是以金属基作为基体的层状碳化物、氮化物或碳氮化物，因此MXene具备优异的导电性、亲水性和多样性等优势逐渐受到科研人员广泛关注研究。MXene具有独特的手风琴层状结构，有利于对电解液离子的吸附和解离，电化学反应中插层和脱嵌的过程伴随着电子的传递，因而具有赝电容的性质。由于MXene这种独特的性质，使其在电化学领域，如锂离子或钠离子电池电极材料、超级电容器电极材料等领域具有很好的应用前景。
[0004]目前制备MXene的方法有溶液法、电化学法、熔融盐法。电化学法存在难以解决的电压值与材料刻蚀能量匹配问题，熔融盐法存在效率低、易混入杂质以及不利于剥离单层MXene等缺点，电化学法和熔融盐法存在的问题都限制了其进一步发展。溶液法因其具有操作简便、效率高等优点而广泛用于MXene的合成。但是现有通过溶液法合成的MXene纳米片在使用时易发生堆积或塌陷，导致其可利用的比表面积大幅减小，进而会大大降低MXene作为超级电容器电极材料的比容量，且循环寿命差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种三维氮掺杂MXene超级电容器电极材料及其制备方法，解决MXene作为电容器材料比容量低、循环寿命差的问题，能够广泛应用于储能器件领域。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种超级电容器电极材料，所述材料是由单层MXene与氮源经自组装反应制备得到，所述电极材料具有三维褶皱结构的微观形貌，能有效防止层
‑
层之间的堆叠，能够广泛应用于储能器件领域。
[0008]所述电极材料的微观形貌是呈离散状分布的若干纳米片层；
[0009]所述纳米片层的层厚在1nm～2nm；
[0010]每个所述的纳米片层都具有无规则的褶皱和/或卷曲。
[0011]可选地，所述MXene为过渡金属碳化物或碳氮化物二维晶体，
[0012]优选地，所述MXene选自Ti3C2，Ti2C，V2C，Nb2C，Mo2C，Nb4C3，Ta4C3，V4C3中的至少一种。
[0013]可选地，所述氮源选自尿素、单氰胺、二氰二胺、三聚氰胺中的至少一种。
[0014]本申请的另一方面，提供了上述超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015]步骤(1)单层MXene悬浮液材料的制备：
[0016]将MAX相加入氢氟酸溶液中进行混合搅拌，除去MAX相中的A原子层，取下层固体，经去离子水洗涤处理并离心，至pH值为5～7，取下层产物进行真空抽滤、烘干制得多层MXene材料，所述多层MXene材料加入有机碱性溶液中搅拌、离心，取离心后的上层溶液即得单层MXene悬浮液；
[0017]步骤(2)三维氮掺杂MXene材料的制备：
[0018]将经过质子化的氮源溶液与步骤(1)所述单层MXene悬浮液进行自组装反应，反应物经洗涤、干燥处理、高温退火，得到三维氮掺杂MXene材料；
[0019]其中，所述MAX相为一种化学式为M
n+1
AX
n
的三元层状化合物；
[0020]所述M为早期过渡金属元素；
[0021]所述X为碳或/和氮元素；
[0022]所述A为第三或第四主族元素；
[0023]n＝1、2或3；
[0024]优选地，所述MAX相选自Ti3AlC2、Ti2AlC、V2AlC、Nb2AlC、Mo2Ga2C、Nb4AlC3、Ta4AlC3、V4AlC3中的至少一种；
[0025]可选地，所述MAX相材料和氢氟酸溶液的配比浓度是0.01gmL
‑1～0.25gmL
‑1；
[0026]所述氢氟酸溶液质量分数40％～55％。
[0027]优选地，所述MAX相材料和氢氟酸溶液的配比浓度是0.02gmL
‑1～0.22gmL
‑1。在此浓度在，更有利于刻蚀的完善性与结构保持完整性。
[0028]可选地，所述氢氟酸溶液与MAX相混合搅拌通过恒温水浴完成；所述恒温水浴控制的混合温度在20℃～70℃，混合搅拌时间在12h～72h，搅拌速率在300rpm～1000rpm；
[0029]优选地，所述刻蚀过程的恒温水浴控制的混合温度在25℃～60℃，混合拌时间在24h～60h，搅拌速率在400rpm～800rpm。
[0030]可选地，所述离心处理，是将反应后的杂质和未反应完全部分分离出去，具体包括AlF3、PTFE、MAX材料。
[0031]可选地，所述烘干温度为50℃～100℃，烘干时间为8h～48h。
[0032]优选地，所述烘干温度在50℃～80℃，烘干时间在8h～36h。真空干燥既可以防止材料发生氧化，还可以避免因干燥温度过高，而使样品形貌发生变化。
[0033]可选地，所述有机碱性溶液包括：四甲基氢氧化铵(TMAOH)、四乙基氢氧化铵(TPAOH)、四丙基氢氧化铵(TBAOH)、二甲基亚砜(DMSO)中的至少一种；
[0034]可选地，所述有机碱性溶液质量分数为10wt％～30wt％。
[0035]可选地，所述氮源包括：尿素、单氰胺、二氰二胺、三聚氰胺中的至少一种；
[0036]可选地，所述氮源与0.5molL
‑1HCl按配比浓度0.2～1.2gmL
‑1进行质子化处理；
[0037]可选地，所述质子化的氮源溶液与所述单层MXene悬浮液按质量比1：(1～18)进行
自组装反应。
[0038]可选地，所述高温退火处理温度在450℃到550℃，保温时间在1h～3h。高温退火时候通惰性气氛进行保护，能有效防止材料在烧结过程中发生氧化现象。
[0039]本申请的另一方面，提供了上述超级电容器电极材料的应用，所述超级电容器电极材料用作柔性可穿戴电子储能设备。
[0040]相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0041]1、本专利技术通过控制单层MXene和氮源的质量比，成功制备得到褶皱结构的三维氮掺杂MXene材料，相较于现有方法制备的片状氮掺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超级电容器电极材料，其特征在于，所述电极材料由单层MXene与氮源经自组装反应制备得到；所述电极材料的微观形貌是呈离散状分布的若干纳米片层；所述纳米片层的层厚在1nm～2nm；每个所述的纳米片层都具有无规则的褶皱和/或卷曲。2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述MXene为过渡金属碳化物或碳氮化物二维晶体；优选地，所述MXene选自Ti3C2，Ti2C，V2C，Nb2C，Mo2C，Nb4C3，Ta4C3，V4C3中的至少一种。3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述氮源选自尿素、单氰胺、二氰二胺、三聚氰胺中的至少一种。4.一种用于制备权利要求1～3任意一项的超级电容器电极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)单层MXene悬浮液材料的制备：将MAX相加入氢氟酸溶液进行混合刻蚀，制得多层MXene材料，所述多层MXene材料加入有机碱性溶液中搅拌、离心，取离心后的上层溶液即得单层MXene悬浮液；步骤(2)三维氮掺杂MXene材料的制备：将经过质子化的氮源溶液与步骤(1)所述单层MXene悬浮液进行自组装反应，反应物经洗涤、干燥处理、高温退火，得到三维氮掺杂MXene材料。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述MAX相为一种化学式为M
n+1
AX
n
的三元层状化合物；所述M...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琦，袁开军，张雨桐，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：