一种由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性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由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料及其制备方法和应用，属于功能纳米材料的制备技术领域。本发明专利技术先通过水热法制得多层磷酸氧钒，再将经过液相剥离的磷酸氧钒与MXene及聚丙烯腈充分混合制备纺丝液，采用静电纺丝的方法获得掺杂磷酸氧钒纳米片的聚合物纤维薄膜，进一步在氨气气氛中进行煅烧碳化处理，获得柔性多孔钒基纳米纤维薄膜材料。该方法制备的磷酸氧钒薄膜材料具有活性位点丰富、导电率高、离子传输通道充足、柔性好及自支撑结构优良等物理特性，在能源存储应用中，具备高活性、高容量、高稳定性的优势，应用前景优。本发明专利技术制备工艺简单，能耗低，适合工业化大规模生产。化大规模生产。化大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于功能纳米材料的制备
，更具体地说，涉及一种由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]能源危机至今仍是一个亟待解决的全球性问题。大量消耗化石能源导致化石能源日益枯竭，而且造成了环境污染和全球气候变暖。发展新能源技术能有效解决能源问题。电池技术将能量以化学能的形式储存，是一种绿色、高效的能源储存和转化的技术。锂离子电池具有较长的循环寿命，高能量密度，低自放电，对环境友好等特点广泛应用于手机、电脑、电动汽车等移动能源设备中，是新能源领域中技术最成熟和应用最广泛的一种能源转换技术。另外，燃料电池能将生物质能直接转化放电的新能源技术，与传统电池相比减少了转化成化学能的过程，不受卡诺循环限制，大大提升了燃料的利用率。目前燃料电池技术已经应用于新能源汽车中。
[0003]然而，锂离子电池还存在许多问题，例如锂储量低、正极原料(如镍和钴)稀缺、生产成本高昂等，这些都是限制该技术大规模应用的重要问题。在这种情况下，钠离子电池(SIBs)因其丰富的钠金属存储量和较低的生产成本，以及在离子插入/脱出机制方面与锂离子电池相似的优势而受到广泛关注，是未来替代锂离子电池的有力候选。
[0004]MXene是一种二维过渡金属碳化物/氮化物，由于一些理想的特性，被广泛应用于新兴离子电池的电极材料。这些特性包括大而可调的夹层空间，出色的亲水性，优异的导电性，组成多样性以及丰富的表面化学性质，使得MXene不仅有望作为电极材料而且有望作为新兴电池的电池中的其他组件。
[0005]磷酸氧钒，是一种基于钒的化合物，长期以来，钒基化合物一直被研究作为离子电池的正极材料，钒的多种氧化态使得钒化合物具备突出的结构多样性，各种开放结构为离子的扩散提供了便利的途径，磷酸盐中PO
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聚阴离子骨架比层状氧化物具有更好的热稳定性，此外，磷酸盐组分阻碍了充电时的氧气释放，从而增加了电池的安全性。
[0006]异丙醇(IPA)，是一种有机化合物，在许多情况下可代替乙醇作为溶剂，是一种良好溶剂和化工原料，此外，也可在化学剥离法中用作溶剂，其具有成本低、质量好、容易控制等优点。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种利用低成本原料规模化制备具有优异的电化学性能的磷酸氧钒与MXene复合的二维柔性材料的简单工艺。其中，磷酸氧钒与MXene复合后具备良好的钠(锌)离子电池性能，以其为活性材料还可用于组装柔性电池。解决商业电池材料生产工艺复杂，成本高，性能差，应用范围有限等问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]一种由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将五氧化二钒、磷酸和去离子水充分搅拌后，通过水热法制得多层磷酸氧钒；
[0011](2)将多层磷酸氧钒加入异丙醇，超声剥离为单层磷酸氧钒，剥离完毕加入单层MXene，离心后得到MXene复合单层二水合磷酸氧钒粉末；
[0012](3)将MXene复合单层二水合磷酸氧钒粉末溶于N，N
‑
二甲基甲酰胺，再加入聚丙烯腈搅拌，制备为纺丝液，通过静电纺丝制得纺丝膜；
[0013](4)将纺丝膜置于管式炉中氨气气氛下煅烧，得到由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料。
[0014]进一步地，步骤(1)中，所述五氧化二钒与磷酸的摩尔比为1～3∶15～25，水热法具体条件为：60～150℃，6～18h。
[0015]进一步地，步骤(2)中所述超声剥离具体方法为：将0.3
‑
1.5g多层磷酸氧钒加到100
‑
250mL异丙醇溶液中搅拌均匀，室温下超声，直至黄绿色浑浊溶液变澄清，出现丁达尔效应。
[0016]进一步地，步骤(2)中多层磷酸氧钒与MXene质量比为0.3
‑
1.5∶0.1
‑
2.5。
[0017]进一步地，步骤(3)中所述制备为纺丝液的具体方法为：使聚丙烯腈与MXene复合单层二水合磷酸氧钒粉末的质量比为5～9∶1～5，搅拌混合时间为24h以上。
[0018]进一步地，步骤(3)中所述静电纺丝具体为：使用5
‑
10mL注射器，静电纺丝电压设置为5
‑
15kV，推进速度设置为：0.5
‑
1.2mL h
‑1。
[0019]进一步地，步骤(4)中所述煅烧具体条件为：氨气气氛下，300～700℃煅烧1～5h，升温速率为2～10℃min
‑1。
[0020]任一所述的方法制备得到的由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料。
[0021]所述的由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料在能源存储与转换、金属离子电池或超级电容器中的应用。
[0022]所述的应用中，所述由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料作为离子电池正极材料使用。
[0023]相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0024](1)现有技术制备二维柔性材料的方法相比，本方法制得的材料普适性非常强，其具备耐高温的特性，可在高温碳化过程中保持结构完好，同时还具备良好的柔韧性，经过大角度多次弯折后仍然可以恢复，在实际使用中，可用于多种离子电池，因此极大地提升了材料的应用范围；
[0025](2)本专利技术方法步骤简单、高效，获得的材料具有高的二维面积(微米级)且拥有极高的比表面积。实验过程中原料利用率高，不需要任何表面活性剂即可使得单层MXene与磷酸氧钒纳米片充分复合，因此在合成完材料后，无需任何后处理；
[0026](3)本专利技术通过煅烧碳化，使纤维膜具备了多孔结构，该结构在电化学应用上，提供更大表面积的同时也为离子提供更多活性位点。在应用上，本方法获得的二维柔性材料可直接用于电池正极，无需任何基底及粘接剂，且具有较好的容量贡献。另外，本方法获得的二维柔性材料拥有可弯折性，在软包电池的应用上具有广阔的应用前景。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例1中多层二水合磷酸氧钒纳米片不同放大倍数下的扫描电镜图；
[0028]图2为本专利技术实施例1中MXene复合单层二水合磷酸氧钒纳米片不同放大倍数下的扫描电镜图；
[0029]图3为本专利技术实施例1中多层二水合磷酸氧钒纳米片及MXene复合单层二水合磷酸氧钒纳米片的XRD图；
[0030]图4为本专利技术实施例1中MXene复合单层二水合磷酸氧钒纳米片的eds测试图；
[0031]图5为本专利技术实施例2中MXene复合单层二水合磷酸氧钒纳米片纤维膜不同放大倍数下的扫描电镜图；
[0032]图6为本专利技术实施例2中MXene复合单层二水合磷酸氧钒纳米片纤维膜的不同弯折情况及弯折后表面图；
[0033]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将五氧化二钒、磷酸和去离子水充分搅拌后，通过水热法制得多层磷酸氧钒；(2)将多层磷酸氧钒加入异丙醇，超声剥离为单层磷酸氧钒，剥离完毕加入单层MXene，离心后得到MXene复合单层二水合磷酸氧钒粉末；(3)将MXene复合单层二水合磷酸氧钒粉末溶于N，N
‑
二甲基甲酰胺，再加入聚丙烯腈搅拌，制备为纺丝液，通过静电纺丝制得纺丝膜；(4)将纺丝膜置于管式炉中氨气气氛下煅烧，得到由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料。2.根据权利要求1所述的由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述五氧化二钒与磷酸的摩尔比为1～3∶15～25，水热法具体条件为：60～150℃，6～18h。3.根据权利要求1所述的磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述超声剥离具体方法为：将0.3
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1.5g多层磷酸氧钒加到100
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250mL异丙醇溶液中搅拌均匀，室温下超声，直至黄绿色浑浊溶液变澄清，出现丁达尔效应。4.根据权利要求1所述的由磷酸氧钒及MXene复合的二维柔性材料制备方法，其特征在于，步骤(2)中多层磷酸氧钒与MXene质量比为0.3

【专利技术属性】
技术研发人员：闫岩，芮佳怡，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：