一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法及应用技术

一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法及应用，(一)、称取(NO3)2·6H2O、CO(NH2)2和NH4F加入到超纯水的烧杯中，混合成混合液；(二)、将单片层Ti3C2纳米粉体超声分散于超纯水中，超声30min成分散液；(三)、混合液和分散液转入水热反应釜聚四氟乙烯内衬中得到新的混合液；然后，保温、自然冷、离心、干燥得到前驱体；(四)、将前驱体粉末用玛瑙研钵研磨均匀后，加热，在Ar的保护下冷却到常温后取出，即可得血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料，应用到电极制作上；该制备方法增大了Ti3C2的比表面积，为电荷传输和离子扩散提供了更多的活性位点，提高了Ti3C2的导电率，使得Co3O4/Ti3C2纳米复合材料电极的电化学性能明显优于纯的Ti3C2。

Preparation and application of a hemoglobin-like Co3O4/Ti3C2 Nanocomposite

The preparation and application of a hemoglobin-like Co3O4/Ti3C2 nanocomposites: (1) weighing (NO3) 2.6H2O, CO (NH2) 2 and NH4F into a beaker of ultra-pure water and mixing them into a mixed solution; (2) dispersing monolayer Ti3C2 nanoparticles in ultra-pure water by ultrasonic wave for 30 minutes; (3) mixing solution and dispersing solution The precursor is obtained by heat preservation, natural cooling, centrifugation and drying; (4) The precursor powders are grinded uniformly in an agate mortar, heated, cooled to room temperature under the protection of Ar, and then removed to obtain hemoglobin-like Co3O4/Ti3C2 nanocomposites. The preparation method enlarges the specific surface area of Ti3C2, provides more active sites for charge transfer and ion diffusion, improves the conductivity of Ti3C2, and makes the electrochemical performance of Co3O4/Ti3C2 nanocomposite electrode significantly better than that of pure Ti3C2.

【技术实现步骤摘要】
一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法及应用
本专利技术属于纳米功能材料及电化学储能材料的制备
，特别涉及一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
MXenes是通过选择性蚀刻MAX相，得到的类石墨烯结构的过渡金属碳氮化物或碳化物，如Ti3C2、Ti2C等。新型二维材料MXenes由于具有独特的层状结构，高导电性、较大的比表面积、高的弯曲强度和弹性模量，以及优异的电学性能，使得其在超级电容器、锂离子电池、钠离子电池等领域应用前景广阔。Rakhi等人将Ti2C作为对称超级电容器的电极材料，测试结果表明，在电流密度为1Ag-1时，比电容为51Fg-1。Xu等人利用还原氧化石墨烯(rGO)作为粘结剂，制备rGO/Ti3C2Tx全固态薄膜超级电容器电极，在聚乙烯醇/氢氧化钾(PVA/KOH)凝胶电解质中进行电化学性能测试，结果表明当功率密度为0.06Wcm-3，能量密度可达63mWhcm-3。然而，Ti3C2理论比容量较低，导致其电化学性能欠佳，限制了MXene基在超级电容器和锂离子电池等储能领域的广泛应用。Co3O4作为一种典型的赝电容材料，因其具有超高的理论比容量，价格低廉，结构稳定和耐刻蚀性，使其广泛应用于锂离子电池、超级电容器、催化剂、电致变色薄膜、磁性材料、气体传感器等诸多领域。Wang等人通过原位合成法得到石墨烯/四氧化三钴复合材料并对其进行电化学性能测试，测试结果表明，在5mVs-1的扫描速率下复合材料的比容量高达478Fg-1，比单组分石墨烯的质量比容量有所增大。Huang等人通过水热法得到石墨烯/四氧化三钴复合材料前驱体，经过200℃煅烧后制备的电极材料，在恒流充放电法中测得在电流密度为5Ag-1时，其比容量为443Fg-1。在电流密度为10Ag-1下对其进行1000次循环稳定性测试，其比电容仍能保持在90％以上，表明了Co3O4可作为高性能储能材料。搜索文献，发现至今尚未有人利用Co3O4来改善Ti3C2的电化学性能，且尚未见报道血红蛋白状结构Co3O4。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法及应用，利用水热法和热处理法原位生长Co3O4/Ti3C2纳米复合材料，这种方法工艺可控、成本低、环保、并且增大了Ti3C2的比表面积，为电荷传输和离子扩散提供了更多的活性位点，提高了Ti3C2的导电率，从而扩展了其在超级电容器等储能领域的应用。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法，包括下述步骤：(一)、依次称取291-363mgCo(NO3)2·6H2O、300-375mgCO(NH2)2和148-185mgNH4F加入到装有35-40mL超纯水的烧杯中，室温磁力搅拌30min，使粉体原料完全混合成混合液；(二)、将45mg单片层Ti3C2纳米粉体超声分散于30mL超纯水中，超声30min成分散液；(三)、将步骤(一)得到的混合液和步骤(二)得到的分散液转入体积分数为75％的100ml水热反应釜聚四氟乙烯内衬中持续搅拌30min得到新的混合液；然后，将水热反应釜升温至115-120℃保温6-8h；随后，将自然冷却至室温的产物依次用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗3次，每次5000-7000r/min离心3-5min，于真空干燥箱中60℃干燥12-24h后得到前驱体；(四)、将所得前驱体粉末用玛瑙研钵研磨均匀后，转入Ar氛围管式炉中，以3-5℃/min的升温速率加热至280-350℃，热解3-4h，在Ar的保护下冷却到常温后取出，即可得血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料。一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的应用，包括以下步骤：(1)、将泡沫镍裁剪成1*2cm2大小的长方形，依次称取16-20mg的Co3O4/Ti3C2纳米复合材料，2-3mg的导电乙炔黑，1-5mg的聚偏二氟乙烯，在玛瑙研钵中研磨1-2h，得到混合粉末；(2)、用移液枪吸取300μL的NMP与步骤(1)的产物研磨均匀后得到浆料，浆料平均滴加在裁剪好的泡沫镍上，并将滴加好的泡沫镍在真空干燥箱中60-80℃干燥12-24h得到电极片；(3)、将制好的电极片在压片机下15-20Mpa保压1min即得Co3O4/Ti3C2工作电极。Co3O4/Ti3C2工作电极产物验证采用三电极体系，以Co3O4/Ti3C2电极作为工作电极，铂片作为对电极，银氯化银为参比电极，在3M的KOH电解液下，使用上海辰华CHI660E电化学工作站测试Co3O4/Ti3C2电极的电化学性能，如循环伏安曲线、恒电流充放电、交流阻抗。结果表明Co3O4/Ti3C2电极表现了良好的电化学性能，有明显的氧化还原峰出现，表明复合材料具有赝电容特性；当扫描速率为2mVs-1时，比容量约为222Fg-1；且循环伏安曲线所形成的区域随着扫描速率的增加而增大，但图形的大致形状基本不变，表现出了良好的倍率性能。本专利技术的有益效果：本专利技术以导电性好、比表面积大的单片层Ti3C2粉体为基体，以Co(NO3)2·6H2O为钴源，CO(NH2)2、NH4F为沉淀剂，采用水热法和热处理法原位生长Co3O4/Ti3C2纳米复合材料，成功制备Ti3C2/Co3O4纳米复合材料。方法增大了Ti3C2的比表面积，为电荷传输和离子扩散提供了更多的活性位点，提高了Ti3C2的导电率，使得Co3O4/Ti3C2纳米复合材料电极的电化学性能明显优于纯的Ti3C2。并将其应用在电化学电容器上，实验表明Ti3C2/Co3O4纳米复合材料具有优异的比容量和化学稳定性。且本专利技术实验过程简单，易操作，符合节能减排、绿色化学的要求，并为其进一步在锂离子电池和超级电容器等储能领域的应用奠定了基础。附图说明图1为实施例一Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的XRD图。图2为实施例一Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的SEM图。图3是实施例一Co3O4/Ti3C2纳米复合材料在三电极测试系统下不同扫描速率对应的循环伏安曲线图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步详细说明。在本专利技术中，涉及到原料单片层Ti3C2纳米粉体，该原料的制备为：步骤一，三元Ti3AlC2陶瓷粉体的制备；按照专利ZL201310497696.9的方法制备三元层状Ti3AlC2陶瓷粉体：首先，根据摩尔比为Ti：Al：TiC＝1.0：1.2：2.0的比例将三种原料混合；其次，将三种原料置于球磨罐内，以氧化铝球作为研磨介质，无水乙醇作为球磨助剂，球磨机转速为900转/分钟，按照质量比为球：料：乙醇＝3.0：1.0：1.0的比例，普通球磨1h获得均匀粉末，并在40℃恒温干燥烘箱将其烘干；然后，将干燥好的混料置于刚玉坩埚内，采用真空无压烧结的方法，以8℃/min的升温速率加热至1350℃，保温1h，随炉冷却至室温得到高纯Ti3AlC2陶瓷粉料。最后，对Ti3AlC2陶瓷粉料进行湿法高能球磨3h，每30min一次，转速400r/min，钢球和陶瓷粉料的质量比为10:1，将磨细的粉体过筛，即得到粒径小于38μm的Ti3AlC2陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(一)、依次称取291‑363mg Co(NO3)2·6H2O、300‑375mg CO(NH2)2和148‑185mg NH4F加入到装有35‑40mL超纯水的烧杯中，室温磁力搅拌30min，使粉体原料完全混合成混合液；(二)、将45mg单片层Ti3C2纳米粉体超声分散于30mL超纯水中，超声30min成分散液；(三)、将步骤(一)得到的混合液和步骤(二)得到的分散液转入体积分数为75％的100ml水热反应釜聚四氟乙烯内衬中持续搅拌30min得到新的混合液；然后，将水热反应釜升温至115‑120℃保温6‑8h；随后，将自然冷却至室温的产物依次用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗3次，每次5000‑7000r/min离心3‑5min，于真空干燥箱中60℃干燥12‑24h后得到前驱体；(四)、将所得前驱体粉末用玛瑙研钵研磨均匀后，转入Ar氛围管式炉中，以3‑5℃/min的升温速率加热至280‑350℃，热解3‑4h，在Ar的保护下冷却到常温后取出，即可得血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种血红蛋白状Co3O4/Ti3C2纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(一)、依次称取291-363mgCo(NO3)2·6H2O、300-375mgCO(NH2)2和148-185mgNH4F加入到装有35-40mL超纯水的烧杯中，室温磁力搅拌30min，使粉体原料完全混合成混合液；(二)、将45mg单片层Ti3C2纳米粉体超声分散于30mL超纯水中，超声30min成分散液；(三)、将步骤(一)得到的混合液和步骤(二)得到的分散液转入体积分数为75％的100ml水热反应釜聚四氟乙烯内衬中持续搅拌30min得到新的混合液；然后，将水热反应釜升温至115-120℃保温6-8h；随后，将自然冷却至室温的产物依次用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗3次，每次5000-7000r/min离心3-5min，于真空干燥箱中60℃干燥12-24h后得到前驱体；(四)、将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：武文玲，卫丹，朱建锋，王岗，牛冬娟，王成威，赵春辉，方园，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61