【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超级电容器领域，具体涉及一种二维过渡金属碳化物的复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、面对全球能源危机的到来，能量的储存以及能量的转换是解决能源危机的关键。为了减少化石燃料造成的污染，人们对替代能源进行了大量的研究，以提高替代能源材料的利用率，特别是将来自太阳和风能的能量转化为可储存的能量。电化学电容器(也称为超级电容器)具有较高的电容(比普通电容器高出近20～200倍)和较长的循环寿命。超级电容器分为两种类型：双电层电容器(edlcs)和赝电容器。其中，通过基于表面法拉第过程储存电能的赝电容器，其能量密度远高于通过电荷沿电极/电解质界面静电积累储存电能的双电层电容器。二维过渡金属碳化物ti3c2tx(mxene)因其具有独特的结构，高导电性，丰富的表面官能团和亲水性等性质使其在超级电容器领域有着巨大的发展前景。
2、mxene纳米片由于具有良好的电子传输性能，因此其在电化学储能领域有着巨大的应用潜能。但与其他二维材料一样，mxene纳米片易堆积的性质和mxene表面活性位点较少的特点，影响了电子和离子的传输以及电荷的储存，导致电学性能下降，降低了其在实际应用中的性能。为开发出具有高性能，高稳定性，低毒性和环保的电极材料，采用构建mxene(ti3c2tx)基复合纳米材料是有效的方法之一。金属氧化物通过氧化还原反应可以获得优异的赝电容。通过引入过渡金属氧化物作为间隔层，抑制ti3c2tx层再堆叠的同时具有优异导电性的ti3c2tx也可作为金属氧化物的导电基底，促进电子转移并缓解充放电过程中金属氧化
技术实现思路
1、针对现有技术中采用mxene(ti3c2tx)所构建的复合纳米材料的电学性能较低的问题，本专利技术提供了一种二维过渡金属碳化物的复合材料及其制备方法和应用。
2、为实现上述技术目的，本专利技术提供了一种二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，包括，将钛碳化铝、氢氧化钠溶液和高锰酸钾溶液混合、加热反应，制得中间产物，收集第一固体沉淀；再将第一固体沉淀与插层剂混合，进行插层及脱层处理，收集第二固体沉淀，干燥，即得；
3、所述钛碳化铝与高锰酸钾溶液中高锰酸钾的质量比为0.2:0.05-0.09；
4、所述加热反应的时间为10-24h。
5、所述钛碳化铝选自ti3alc2、ti2alc中的至少一种；和/或，所述高锰酸钾溶液的浓度为0.9-1.1g/100ml；和/或，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/ml-0.6g/ml；和/或，所述钛碳化铝与氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量比为0.1-0.3:25-30；和/或，所述氢氧化钠溶液或者高锰酸钾溶液中的溶剂为水。
6、所述钛碳化铝和高锰酸钾溶液中的高锰酸钾的质量之比为0.2:0.05-0.07。
7、所述反应的气氛为氮气和/或惰性气体，反应的温度为260-280℃。
8、所述加热反应的时间为10-13h。
9、收集第一固体沉淀之前还包括将中间产物中的液体弃去、用水清洗固体，再经静置、离心、醇溶液洗出固体沉淀，得到第一固体沉淀；和/或，所述插层剂选自二甲基亚砜、乙腈和碳酸亚丙酯中的一种或多种；和/或，收集第二固体沉淀之前还包括将插层及脱层处理后的产物中的液体弃去、使用水浸泡固体，再经超声、离心、醇溶液洗出固体沉淀，得到第二固体沉淀。
10、所述醇溶液为体积百分浓度为80-98％的乙醇水溶液；和/或，所述插层剂的体积与钛碳化铝的质量之比为20-26ml:0.1-0.3g；和/或，所述插层及脱层处理的时间为20-30h。
11、本专利技术还提供一种二维过渡金属碳化物的复合材料。
12、本专利技术还提供一种电极，包括二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法制备得到二维过渡金属碳化物的复合材料或者二维过渡金属碳化物的复合材料。
13、本专利技术还提供一种超级电容器，包括电极。
14、本专利技术的技术方案具有以下有益效果：
15、(1)本专利技术提供的一种二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，包括，将钛碳化铝、氢氧化钠溶液和高锰酸钾溶液混合、加热反应，制得中间产物，收集第一固体沉淀；再将第一固体沉淀与插层剂混合，进行插层及脱层处理，收集第二固体沉淀，干燥，即得；所述钛碳化铝与高锰酸钾溶液中高锰酸钾的质量比为0.2:0.05-0.09；所述加热反应的时间为10-24h。本专利技术以钛碳化铝、氢氧化钠溶液和高锰酸钾溶液为反应物，在特定的反应物比例、特定的时间下进行加热反应，再结合插层及脱层处理制备得到mno2原位生长在mxene纳米片的表面和层间的复合材料，有效抑制了纳米片的自堆叠，增加了比表面积和表面活性位点，使得电解液能与mxene纳米片充分接触，加快离子传输，从而扩大了纳米片层与片层之间的距离，并形成导电网络加快电子传输继而提升mxene基超级电容器电极材料的电性能。本专利技术中采用氢氧化钠溶液为刻蚀剂，所制备得到的ti3c2tx材料分散度较低，层间距较小，经插层处理后得到的材料尺寸甚至可以达到纳米级，比表面积更大，形貌更为优异；其次，采用氢氧化钠溶液为刻蚀剂，所制备得到的ti3c2tx材料具有更高的比电容和更优的循环稳定性，原因是在碱性条件下制备的mxene表面具有更多的-o、-oh等基团，因而材料的表面具有更多的活性位点，有利于氧化还原反应的进行，进而提高了电学性能。本专利技术在刻蚀过程中添加kmno4氧化剂，一方面起到加速刻蚀的作用，另一方面生成了mno2并附着于ti3c2tx的表面及层间，有效抑制了纳米片的自堆叠，提高了电学性能，且本专利技术中过高过低的氧化剂都会使得复合材料的电学性能降低。总之，本专利技术添加采用碱辅助水热法制备的ti3c2tx/mno2材料，mno2颗粒物均匀负载于材料的表面及层间，增加了材料的比表面积，降低了片层间的堆叠效应，增加了表面活性位点，且原位生成的mno2较于后期负载的mno2具有更强的结合力，吸附得也更紧密。在-0.6～0.2v电压窗口内，最大比容量达到182.75f/g，且在10000次循环放电后，电容保持率仍达到85.65％，展现出较高的比容量、良好的循环特性和优异的倍率性能。
16、(2)本专利技术提供的一种二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，本专利技术中通过限定钛碳化铝与高锰酸钾溶液中高锰酸钾的质量比优选为0.2:0.05-0.07，所制得本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，包括，将钛碳化铝、氢氧化钠溶液和高锰酸钾溶液混合、加热反应，制得中间产物，收集第一固体沉淀；再将第一固体沉淀与插层剂混合，进行插层及脱层处理，收集第二固体沉淀，干燥，即得；
2.根据权利要求1所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛碳化铝选自Ti3AlC2、Ti2AlC中的至少一种；和/或，所述高锰酸钾溶液的浓度为0.9-1.1g/100mL；和/或，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/mL-0.6g/mL；和/或，所述钛碳化铝与氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量比为0.1-0.3:25-30；和/或，所述氢氧化钠溶液或者高锰酸钾溶液中的溶剂为水。
3.根据权利要求1或2所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛碳化铝和高锰酸钾溶液中的高锰酸钾的质量之比为0.2:0.05-0.07。
4.根据权利要求1-3中任一所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应的气氛为氮气和/或惰性气体，反应的温度为260-280℃。
6.根据权利要求1-5中任一所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，收集第一固体沉淀之前还包括将中间产物中的液体弃去、用水清洗固体，再经静置、离心、醇溶液洗出固体沉淀，得到第一固体沉淀；和/或，所述插层剂选自二甲基亚砜、乙腈和碳酸亚丙酯中的一种或多种；和/或，收集第二固体沉淀之前还包括将插层及脱层处理后的产物中的液体弃去、使用水浸泡固体，再经超声、离心、醇溶液洗出固体沉淀，得到第二固体沉淀。
7.根据权利要求6所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述醇溶液为体积百分浓度为80-98％的乙醇水溶液；和/或，所述插层剂的体积与钛碳化铝的质量之比为20-26mL:0.1-0.3g；和/或，所述插层及脱层处理的时间为20-30h。
8.根据权利要求1-7中任一所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法制备得到二维过渡金属碳化物的复合材料。
9.一种电极，其特征在于，包括权利要求1-7中任一所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法制备得到二维过渡金属碳化物的复合材料或者权利要求8所述的二维过渡金属碳化物的复合材料。
10.一种超级电容器，其特征在于，包括权利要求9所述的电极。
...【技术特征摘要】
1.一种二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，包括，将钛碳化铝、氢氧化钠溶液和高锰酸钾溶液混合、加热反应，制得中间产物，收集第一固体沉淀；再将第一固体沉淀与插层剂混合，进行插层及脱层处理，收集第二固体沉淀，干燥，即得；
2.根据权利要求1所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛碳化铝选自ti3alc2、ti2alc中的至少一种；和/或，所述高锰酸钾溶液的浓度为0.9-1.1g/100ml；和/或，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5g/ml-0.6g/ml；和/或，所述钛碳化铝与氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量比为0.1-0.3:25-30；和/或，所述氢氧化钠溶液或者高锰酸钾溶液中的溶剂为水。
3.根据权利要求1或2所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛碳化铝和高锰酸钾溶液中的高锰酸钾的质量之比为0.2:0.05-0.07。
4.根据权利要求1-3中任一所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应的气氛为氮气和/或惰性气体，反应的温度为260-280℃。
5.根据权利要求1-4中任一所述的二维过渡金属碳化物的复合材料的制备方法，其特征在于，所述加热反应的时间为1...
【专利技术属性】
技术研发人员：王杰，许开华，张绪兰，严子人，徐苗苗，韩松洁，拓丽娜，陈玉君，
申请(专利权)人：格林美无锡能源材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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