一种利用MXene制备具有稳定结构炭化木自支撑电极的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用MXene制备具有稳定结构炭化木自支撑电极的方法，属于炭化木电极材料制备领域，以天然木材为原料，MXene为改性剂，将MXene悬浮液均匀地滴涂在木材上，并通过低温(60℃)加热的方法促使水分蒸发，诱导MXene纳米片在木材细胞壁表面层层组装，形成具有结构保护作用的MXene外壳(占总质量的10

【技术实现步骤摘要】
一种利用MXene制备具有稳定结构炭化木自支撑电极的方法


[0001]本专利技术涉及一种利用MXene制备具有稳定结构炭化木自支撑电极的方法，属于炭化木电极材料制备领域。

技术介绍

[0002]传统电极多由活性物质(碳材料与金属氧化物等)、导电剂(炭黑等)与粘结剂(聚偏四氟乙烯等)混合后涂覆在集流体(泡沫镍等)上制备而成，其制备工艺繁琐且活性物质占比较低。与传统电极相比，无需导电剂、粘结剂与集流体的自支撑电极具有较高的电化学活性物质占比，因此能够在有限的空间内提供更高的电容。
[0003]木材作为一种天然高分子材料，具有良好的力学性能与化学稳定性，其内部的分级多孔结构使其成为制备自支撑电极的理想材料。但是，木材本身导电性较低且电化学活性较弱。目前，通常采用碳化处理(500
‑
1000℃)提升木材的导电性。然而，在此过程中，由于内部水分的脱除以及木材组分(半纤维素、纤维素、木质素)的热解，木材结构不可避免地发生皱缩甚至坍塌的现象，导致在实际生产中无法对炭化木电极的尺寸进行精确控制，不符合商业电极“可定制化”的发展趋势。此外，研究人员通常采用反应温和的物理活化法(如以水蒸气、CO2、空气等为反应介质)来提升炭化木的比表面积，从而通过增加双电层电容达到显著提升电极比电容的目的。然而，物理活化法虽然可以在制造丰富微孔的同时保留木材天然结构，但受其接触式活化方式的限制，反应所需温度较高(500
‑
1000℃)，时间较长(4
‑
10h)，因而制备过程不仅能耗高，而且生产效率低。因此，开发一种低能耗、高效率的方法制备兼具稳定结构以及优异电化学性能的炭化木自支撑电极对于实现其商业化大规模应用具有重要的意义。
[0004]MXene是一类兼具超高电导率和高电化学活性的二维过渡金属碳/氮化物，其化学式可表述为M
n+1
X
n
T
x
(n＝1，2，3)，其中M为过渡金属元素(Ti，Nb，Mo等)，A为13或14组中的元素(Al，Si，Ga等)，X为C或N元素，T
x
为表面官能团(
‑
F，
‑
O，
‑
OH等)。研究表明，MXene不仅具有双电层电容，其内部过渡金属原子在充放电过程中产生的可逆氧化还原反应还能够提供大量的赝电容。此外，MXene表面丰富的极性官能团(
‑
F，
‑
O，
‑
OH等)为其提供了大量的可结合位点，有利于通过与木材细胞壁表面形成氢键实现两者的紧密结合，从而有效解决木材导电性差以及电化学活性低的问题。
[0005]本专利技术以天然木材为原料，MXene为改性剂，将MXene悬浮液均匀地滴涂在木材上，并通过低温(60℃)加热的方法促使水分蒸发，减小MXene纳米片之间的距离，从而诱导MXene纳米片在木材细胞壁表面层层组装。随后，将经过MXene改性的木材在氮气保护下进行低温(200
‑
500℃)碳化处理，最终得到具有稳定结构与优异电化学性能的炭化木自支撑电极。与现有的炭化木电极制备工艺相比，本专利技术所需碳化温度低且无需活化过程，不仅显著降低炭化木电极的制备能耗，减少温室气体的排放，而且缩短了制备时间，提高了生产效率。此外，MXene纳米片之间的水分在碳化过程中逐渐脱除，片层之间的距离进一步减小，最终在木材表面形成了致密的MXene外壳。形成的MXene外壳不仅可以在木材表面构建连续的
导电网络，提升炭化木电极的导电性能，而且能够保护木材结构在碳化过程中免受破坏。不仅如此，木材在碳化过程中产生的气体能够在MXene外壳上创造大量有利于电解质离子快速穿梭的孔道，同时暴露更多的活性位点，进一步提升炭化木自支撑电极的电化学性能。综上所述，本专利技术开发了一种利用MXene制备具有稳定结构与优异电化学性能的炭化木自支撑电极的方法，有效解决了目前炭化木电极制备能耗高、结构稳定性差的问题。本专利技术为开发可用于储能设备的低能耗、高性能、结构稳定的炭化木自支撑电极提供了可靠的技术支撑。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是利用MXene显著提高木材的导电性与电化学活性，并通过低温碳化的方法制备结构稳定的炭化木自支撑电极。在碳化过程中，利用MXene纳米片之间的脱水现象在木材表面形成致密外壳，从而通过构筑连续导电网络提升炭化木自支撑电极的导电性，并有效保护木材内部结构。此外，木材碳化产生的气体会在MXene外壳上创造大量有利于电解质离子传输的通道，同时暴露更多的活性位点，进一步提升炭化木自支撑电极的电化学性能。最终，制备了具有稳定结构与优异电化学性能的炭化木自支撑电极。
[0007]本专利技术的技术解决方案：一种利用MXene制备具有稳定结构炭化木自支撑电极的方法是按以下步骤完成的：
[0008]一、木材的预处理：
[0009]将MXene悬浮液滴涂在木材上，通过加热使水分蒸发，诱导MXene纳米片在木材细胞壁表面层层组装，从而完成对木材的预处理。
[0010]步骤一所述的预处理的具体步骤为：把预先准备好的横切面木片(20mm
×
20mm
×
0.5mm)放置在加热台上，之后将采用湿法刻蚀法制备的MXene悬浮液(5mg/mL)均匀地滴涂在木片上，使悬浮液完全包裹住木片。之后将加热台温度调整至60℃，使悬浮液中的水分蒸发。待水分完全蒸发后，重复上述过程直至MXene的负载量达到整体质量的10
‑
40％。
[0011]二、炭化木自支撑电极的制备：
[0012]采用低温碳化的方法对预处理后的木材进行碳化处理。在此过程中，MXene纳米片间水分的脱除使其层间距逐渐减小，最终在木材表面形成致密的MXene外壳。形成的MXene外壳不仅有效提升了炭化木电极的导电性能，还能够保护木材结构在碳化过程中免遭破坏。此外，木材热解产生的气体会在MXene外壳上创造大量有利于电解质离子快速传输的通道，并暴露出更多的活性位点，进一步提升了炭化木自支撑电极的电化学性能。
[0013]步骤二所述的炭化木自支撑电极制备的具体步骤是：将步骤一经过预处理的木片送入管式炉内，并按照以下条件进行处理：升温速率5℃/min，温度为200
‑
500℃，保温时间为2h，氮气流速40mL/min。碳化处理完成后，待样品冷却至室温后取出。
[0014]与已有的炭化木电极制备方法相比，本专利技术的优势在于：(1)制备时间短：本专利技术提供的制备方法无需活化过程，显著缩短制备时间，从而大幅提升生产效率；(2)制备能耗低：本方法碳化处理温度较低(200
‑
500℃)，符合当前工业化生产节能减排的要求；(3)制备出的炭化木结构稳定：本方法制备的炭化木电极完整保留了木材原本的物理结构，这有利于炭化木电极尺寸的精确控制，从而可促进炭化木电极的商业化应用。
附图说明
[0015]图1是实施例1制备的具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种利用MXene制备具有稳定结构炭化木自支撑电极的方法，其特征在于：所述的具有稳定结构的炭化木自支撑电极是按以下步骤制备的：步骤一：木材的预处理：把预先准备好的横切面木片(20mm
×
20mm
×
0.5mm)放置在加热台上，之后将采用湿法刻蚀法制备的MXene悬浮液(5mg/mL)均匀地滴涂在木片上，使悬浮液完全包裹住木片。之后将加热台温度调整至60℃，使悬浮液中的水分蒸发。待水分完全蒸发后，重复上述过程直至MXene的负载量达到整体质量的10
‑
40％。步骤二：将步骤一经过预处理的木片送入管式炉内，并按照以下条件进行处理：升温速率5℃/min，温度为200
‑
500℃，保温时间为2h，氮气流速40mL/min。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫民，杨凯，周晓燕，张道通，李昭，凌以盈，杨培，陈敏智，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：