一种基于MXene-石墨烯复合的超轻多孔气凝胶、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于MXene

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于Li
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CO2电池阴极催化剂材料制备领域，具体涉及一种基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]在过去几十年中，化石燃料的过度开发和使用不仅造成了能源枯竭，随之带来的是CO2的过渡排放，从而导致的温室效应严重影响了全球的气候和人类的生活。作为一种新型的储能装置，Li
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CO2电池在减少CO2排放，改善全球温室效应方面也起到了一定的促进作用。但就目前的研究来看，Li
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CO2电池本身存在很多难题，放电产物Li2CO3是一种宽带隙的化学绝缘体，其分解动力学迟缓，本征分解电压在4.3 V左右，在过高的充电电压下，电解液发生分解，因此电池的充电容量小，导致电池的库伦效率低，循环稳定性差。所以，研究者们提出阴极催化剂这一概念，阴极催化剂可以促进CO2的还原，有效地破坏Li2CO3中的羰基键，促进Li2CO3的分解，从而降低电池的充电电压，增强电池的电化学性能。
[0003]二维碳化物MXene是一种新兴的碳材料，具有优异的层间离子传输通道（1.3 nm），良好的导电性（3.1
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10
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3 S/m）和可调节的化学组成等优势，现已被广泛应用在电催化二氧化碳还原、光催化、可充电金属电池和超级电容器等方面，并表现出强大的应用前景。然而，将MXene作为活性材料用作金属电池时，单层MXene会出现团聚、堆叠的现象，使表面的活性中心覆盖失活，从而影响电池的电化学性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷和不足，本专利技术的目的在于提供一种基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶、制备方法及应用，石墨烯为单层MXene提供骨架，以解决单一单层MXene用作金属电池阴极催化剂时出现的团聚、堆叠现象，从而充分暴露活性材料的催化位点，提高电池的电化学性能。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶，该气凝胶材料是将单层MXene水溶液和氧化石墨烯水溶液混合后经水热反应制备而成。
[0006]较佳的，单层MXene为Ti3C2、V2C、Ti2C、TiVC、Mo2TiC2中的一种。
[0007]一种基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶的制备方法，将刻蚀剥离的单层MXene水溶液与氧化石墨烯水溶液混合搅拌一段时间，恒温恒压水热反应，冷却后抽掉水分，经冷冻干燥后得到MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶。
[0008]具体的，包括以下步骤：将氧化石墨烯水溶液与单层 MXene 水溶液均匀混合后，所得混合液在180
ꢀ±
5℃下水热反应一段时间，反应结束后，所得水凝胶经冷冻干燥，得超轻多孔气凝胶。
[0009]较佳的，单层MXene为Ti3C2、V2C、Ti2C、TiVC、Mo2TiC2中的一种。
[0010]较佳的，将氧化石墨烯水溶液与稳定的单层 MXene 水溶液均匀混合，其中，稳定的单层 MXene 水溶液通过多层MXene经有机插层溶剂插层，剥离后制得。
[0011]较佳的，氧化石墨烯与单层MXene的质量比为1:1。
[0012]较佳的，在180
ꢀ±
5℃下水热反应12h。
[0013]较佳的，氧化石墨烯水溶液的质量浓度为2 mg/ml。
[0014]较佳的，单层MXene水溶液的质量浓度为3
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5 mg/ml。
[0015]本专利技术还提供了上述基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶作为Li
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CO2电池阴极催化剂的应用。
[0016]本专利技术与现有技术相比，有益的技术效果是：（1）本专利技术将MXene与石墨烯复合，石墨烯提供了稳定的骨架，避免了单层MXene的团聚与堆叠，更大化的暴露催化活性位点，极大地促进了放电产物Li2CO3的可逆形成与分解，降低电池充放电的过电位。
[0017]（2）本专利技术MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶可直接用作Li
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CO2电池阴极催化剂，无需其它处理步骤；同时，气凝胶提供了大量的孔道结构，有助于CO2的扩散和电解质离子的传输，从而降低传质与传荷电阻，提高了电池的比容量，增强了电池的循环稳定性。
[0018]（3）将本专利技术MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶应用于Li
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CO2电池时，在100 mA g
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1 的电流密度下，完全放电量高达27880 mAh g
‑1，过电位在1.5 V左右；MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶是Li
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CO2电池一种理想的阴极催化剂材料。
附图说明
[0019]图1为MXene
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石墨烯复合气凝胶的制备工艺图；图2为实施例5制备的MXene TiVC的XRD谱图；图3为实施例1、2、3、4、5制备的MXene
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石墨烯气凝胶的XRD谱图；图4为实施例2单层MXene Ti3C2纳米片的SEM和TEM图；图5为实施例5单层MXene TiVC纳米片的EDS图；图6为实施例5制备的阴极催化剂组装Li
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CO2电池的比容量图；图7为实施例5制备的阴极催化剂组装Li
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CO2电池的倍率图；图8为实施例5制备的阴极催化剂组装Li
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CO2电池的循环图；图9为实施例5制备的阴极催化剂组装电池充放电后电极片的XRD图；图10为实施例5制备的阴极催化剂组装Li
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CO2电池的CV图；图11为实施例6制备的阴极催化剂组装电池充放电后的EIS图；图12为MXene的结构示意图。
具体实施方式
[0020]本专利技术制备的MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶，是将单层MXene水溶液和氧化石墨烯水溶液混合后经水热反应制备而成。氧化石墨烯为单层MXene提供了稳定的骨架，使其活性位点更大化的暴露，促进CO2的还原和Li2CO3的分解，降低电池的过电位；同时，气凝胶的多孔结构为CO2扩散和电解质离子的传输提供了便利，该复合气凝胶能够有效提升Li
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CO2电池的比容量和循环稳定性。
[0021]MXene是一种二维碳材料，其结构如图12所示。单层MXene易发生团聚、堆叠现象，因此，可以通过在表面设计引入单个原子或将MXene与其他2D材料进行耦合形成异质结来进行修饰，从而提高其在电池应用领域的性能。
[0022]MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶的制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶，其特征在于，该气凝胶材料是将单层MXene水溶液和氧化石墨烯水溶液混合后经水热反应制备而成。2.如权利要求1所述的气凝胶，其特征在于，单层MXene为Ti3C2、V2C、Ti2C、TiVC、Mo2TiC2中的一种。3.一种基于MXene
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石墨烯复合的超轻多孔气凝胶的制备方法，其特征在于，包括将氧化石墨烯水溶液与单层MXene水溶液混合搅拌一段时间，恒温恒压水热反应，冷却后抽掉水分，经冷冻干燥后的步骤。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，单层MXene为Ti3C2、V2C、Ti2C、TiVC、Mo2TiC2中的一种。5. 如权利要求3所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立志，赵文甜，杨勇，付小龙，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：