一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极及其制备方法和应用，制备方法利用交叉抽滤将氧化石墨烯和MXene分层次抽滤成多层混合膜，并通过低温退火的手段还原氧化石墨烯，利用还原阶段逸出气体造孔，既保持了二维的材料形态，又增加了电极材料的离子嵌入脱出通道，抑制了材料自堆叠现象。多孔的形貌又增加了复合膜的机械柔韧性。工艺路线简单，重复性好，无有机添加剂，原料来源广泛，价格低廉，副产物低毒易于无害化处理，具有良好的经济和环境效应，有利于大规模的工业化应用。制备的材料柔韧性好，电化学性能良好，循环性能优越，作为柔性电子储能设备和可穿戴电子储能设备的电极材料具有广泛巨大的应用潜力。设备的电极材料具有广泛巨大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于柔性储能材料制备领域，具体涉及一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]当今社会，随着科学技术的发展和进步，柔性可穿戴电子器件、可折叠显示器、可折叠手机等的诞生，对具有高能量密度、长循环效率及具有快速充放电速率的柔性储能器件的需求也变得迫切，进而对相应的柔性电极的开发提出了新的要求。
[0003]以Ti3C2为代表的MXenes系列材料是将A元素层由MAX相蚀刻出得到的，其中A元素代表的是IIIA或IVA族元素(A＝Al,Ga,In,Ti,Si,Ge,Sn,Pb)。MAX相分子表达式为M
n+1
AX
n
，所对应的MXenes分子表达式为M
n+1
X
n
(n＝1、2或3)。以Ti3C2为代表的MXenes系列材料具有良好的金属导电性和亲水性，目前在透明光电材料、电磁吸收和屏蔽材料、生物医药、电催化材料、储能材料等领域具有应用报道。然而，与其他二维材料一样，MXenes作为膜电极材料无法克服材料自堆叠现象，通过与其他种材料进行复合，利用两相材料的协同效应来稳定提升MXenes基材料的性能成为常见的技术手段。
[0004]氧化石墨烯作为一种二维片状材料，具有较大的理论比表面积(理论值：2620m
2 g
‑1)和良好的电导率，将氧化石墨烯与Ti3C2这种MXene材料进行复合亦有不少研究探索。然而氧化石墨烯成膜也面临着严重的自堆叠现象，直接混合两种材料后再一次成膜或许并不是一个最好的选择。合成氧化石墨烯/MXene三维气凝胶或者水凝胶能够扩大材料比表面积与活性位点，但三维的材料形态不比二维薄膜，又收窄了复合材料在柔性储能领域的应用范围。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极及其制备方法和应用，制备方法工艺简单、重复性好，原材料来源广泛，价格低廉，副产物低毒易于处理，从而具有优越的经济价值、适用于大规模的商业转化应用，制备出的多孔柔性膜电极柔韧性好，电化学性能良好，循环性能优越，作为柔性电子储能设备和可穿戴电子储能设备的电极材料具有广泛巨大的应用潜力。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术提供了一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)将氧化石墨烯粉体加入超纯水中进行低温超声，并离心收集上层悬浮液，获得浓度为0.5～5mg/mL的单少层氧化石墨烯纳米片溶胶液，定义为溶胶液A；
[0008]2)利用刻蚀剂通过液相刻蚀法刻蚀Ti3AlC2陶瓷材料收集得到多层MXene纳米片溶液，将多层MXene纳米片溶液在惰性气氛下低温超声，并离心收集上层悬浮液，获得浓度为0.5～5mg/mL的单少层MXene纳米片溶胶液，定义为溶胶液B；
[0009]3)将溶胶液A和溶胶液B在真空抽滤装置上采用交叉抽滤的方式制备得到混合薄膜C，混合薄膜C为三明治夹心结构，交叉抽滤层数限定为最少三层的单数层，中间层为溶胶液A或者溶胶液A和溶胶液B的混合液，其中，溶胶液A和溶胶液B的质量比限定为A：B＝1：(0～0.5)，最外层为溶胶液B，每个抽滤层中氧化石墨烯或MXene活性物质的质量限定在3～15mg；
[0010]4)将混合薄膜C干燥后进行低温退火还原，即得到还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极。
[0011]优选地，所述步骤1)中以石墨粉为原料，浓硫酸、高锰酸钾、H2O2、KNO3或NaNO3为辅料，采用改性Hummers法制得氧化石墨烯，并冷冻干燥获得氧化石墨烯粉体保存。
[0012]优选地，所述石墨粉的粒径为200～2000目。
[0013]优选地，其特征在于，所述步骤1)中低温超声的条件为：5～15℃，频率40KHz，40～90min；离心条件为：3000～5000rpm，20～45min。
[0014]优选地，其特征在于，所述步骤2)中Ti3AlC2陶瓷材料为Ti粉、TiC粉和Al粉按质量比为1:2:(1.1～1.2)的比例混合，在惰性气氛下，以1350～1450℃，2h的煅烧条件获得，且Ti3AlC2陶瓷材料经过研磨过筛，粒径小于400目，刻蚀剂为HF酸，或者HCl和LiF混合溶液。
[0015]优选地，所述步骤2)中低温超声的条件为：5～15℃，频率40KHz，40～90min，离心条件为：3000～4000rpm，20～45min。
[0016]优选地，所述步骤4)中混合薄膜C置于气氛管式炉中，在惰性气氛的条件下，在200～500℃的温度下1～3h进行退火还原。
[0017]优选地，所述步骤4)中混合薄膜C干燥采用室温下干燥、
‑
40℃～
‑
20℃条件下的冷冻干燥或35～40℃条件下的真空干燥，干燥时间10～15h。
[0018]本专利技术还提供了一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极，采用上述的一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的制备方法制备得到，为三明治夹心结构，层数为最少三层的单数层，中间层为还原氧化石墨烯层，或还原氧化石墨烯+MXene层，最外层为MXene层。
[0019]本专利技术还提供了一种上述的还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极作为柔性电子储能设备和可穿戴电子储能设备的电极材料的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的制备方法利用交叉抽滤的工艺手段，将氧化石墨烯和MXene分层次抽滤成多层混合膜，并通过低温退火的手段还原氧化石墨烯，利用还原阶段逸出气体造孔，既保持了二维的材料形态，又增加了电极材料的离子嵌入脱出通道，抑制了材料自堆叠现象。多孔的形貌又增加了复合膜的机械柔韧性。因此，本专利技术工艺路线简单，重复性好，无有机添加剂，原料来源广泛，价格低廉，副产物低毒易于无害化处理，具有良好的经济和环境效应，有利于大规模的工业化应用。制备出的多孔柔性膜电极材料柔韧性好，电化学性能良好，循环性能优越，作为柔性电子储能设备和可穿戴电子储能设备的电极材料具有广泛巨大的应用潜力。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1制备的还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的光学照片；
[0022]图2是本专利技术实施例1制备的还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的扫描电镜
图；
[0023]图3是本专利技术实施例1制备的还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的恒流充放电性能图；
[0024]图4是本专利技术实施例1制备的还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的循环性能和库伦效率图。
具体实施方式
[0025]下面结合说明书附图和具体的实施例对本专利技术作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将氧化石墨烯粉体加入超纯水中进行低温超声，并离心收集上层悬浮液，获得浓度为0.5～5mg/mL的单少层氧化石墨烯纳米片溶胶液，定义为溶胶液A；2)利用刻蚀剂通过液相刻蚀法刻蚀Ti3AlC2陶瓷材料收集得到多层MXene纳米片溶液，将多层MXene纳米片溶液在惰性气氛下低温超声，并离心收集上层悬浮液，获得浓度为0.5～5mg/mL的单少层MXene纳米片溶胶液，定义为溶胶液B；3)将溶胶液A和溶胶液B在真空抽滤装置上采用交叉抽滤的方式制备得到混合薄膜C，混合薄膜C为三明治夹心结构，交叉抽滤层数限定为最少三层的单数层，中间层为溶胶液A或者溶胶液A和溶胶液B的混合液，其中，溶胶液A和溶胶液B的质量比限定为A：B＝1：(0～0.5)，最外层为溶胶液B，每个抽滤层中氧化石墨烯或MXene活性物质的质量限定在3～15mg；4)将混合薄膜C干燥后进行低温退火还原，即得到还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极。2.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中以石墨粉为原料，浓硫酸、高锰酸钾、H2O2、KNO3或NaNO3为辅料，采用改性Hummers法制得氧化石墨烯，并冷冻干燥获得氧化石墨烯粉体保存。3.根据权利要求2所述的一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的制备方法，其特征在于，所述石墨粉的粒径为200～2000目。4.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯/MXene多孔柔性膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中低温超声的条件为：5～15℃，频率40KHz，40～90min；离心条件为：3000～5000rpm，20～45min...

【专利技术属性】
技术研发人员：阙文修，罗艺佳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：