一种竖直MXene电极材料及其制备方法和滤波电容器技术

本发明专利技术公开了一种竖直MXene电极材料及其制备方法和滤波电容器，其制备方法包括以下步骤：(1)配置MXene溶液，超声，离心，得胶体溶液；(2)将胶体溶液进行生物试剂热处理，去除多余生物试剂，得改性MXene溶液；然后通过刮涂、喷涂或真空辅助抽滤，得MXene膜电极；再真空干燥后进行微纳加工，得电极片；(3)将不锈钢网进行表面镀金，得集流体；然后与电极片进行辊压，得竖直MXene电极材料。本发明专利技术还包括上述方法制得的竖直MXene电极材料以及相应的滤波电容器。本发明专利技术通过溶液自组装得到具有三维竖直结构的MXene电极材料，同时极大增强MXene在水系环境下的稳定性。环境下的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种竖直MXene电极材料及其制备方法和滤波电容器


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种竖直MXene电极材料及其制备方法和滤波电容器。

技术介绍

[0002]随着摩尔定律的发展，电路中基于MOS管的逻辑器件体积不断减小，但是以电容器为代表的无源元器件并未获得突破性发展。目前在电源滤波电路中广泛存在的各种电解电容器仍是电路中所占空间最大的分立元器件，例如，在功放电路中，核心的滤波电容通常使用的是进口刚性的大体积铝电解电容，其本身较大的体积严重阻碍了整体系统缩小。另一方面，随着现代电子设备的发展潮流，便携式的智能设备正逐渐成为未来的消费主流，这同样要求更小体积的滤波电容以满足便携、一体化的系统应用。大体积、刚性的铝电解电容已成为发展下一代小体积、多功能以及具备柔性的电子设备的主要阻碍之一。
[0003]近年来，凭借着快速充放电，高功率密度和长循环寿命的优良特性，基于电化学双电层效应的超级电容器(SCs)得到了广泛关注和快速发展，其高比容量、柔性化、集成化的多功能特性使得电容型元器件有望同样遵从摩尔定律的发展。以活性炭为代表的碳基超级电容器具备导电性好、孔隙率高、比表面积大等优良特性，基于此制备的SCs有着比电介质电容器大得多的电荷存储容量。然而，受限于活性炭电极材料结构和特性，其内部广泛分布的孔隙结构在高频下会产生高的阻抗，因此通常具有缓慢的极化内部响应和信号传播，超级电容器的工作频率往往低于一赫兹，难以达到商用的百赫兹以上。同时考虑到滤波电容的应用场景往往是在较高的频率下，此时碳基SCs的比容量也被严重限制，容量上的优势不复存在。
[0004]MXene作为一种近年来新发现的储能材料，其化学式Mn
+1
X
n
T
x
，其中M是表示过渡金属如Ti，Nb等，X是表示C或者N，T
x
是指的是在刻蚀过程中所引入的表面官能团
‑
OH，
‑
O，
‑
F等，因其具有类似石墨烯的结构因此被命名为迈科烯(MXene)。其具有优秀的电学性能(电子传输能量势垒低、开放的离子扩散路径、丰富的活性位点)、光学性能和力学性能，因此在锂离子电池、超级电容器、电磁屏蔽、催化等多个领域受到广泛关注。独特的赝电容性质使得MXene基超级电容器的比容量显著提升(比铝电解电容高2
‑
3个数量级)、类似金属的导电性(
‑
104S cm
–1)使其不需要额外导电添加剂同时更兼具丰富多功能的器件构型。更重要的是，非金属的电极使得MXene超级电容器具有较低的等效串联电感(ESL)而不必像铝电解电容因为较大的ESL(大容量AECs金属铝电极箔卷绕产生)阻碍高频信号通过，必须要并联一个小电容保证高频信号顺利通过。
[0005]然而，由于MXene平面二维的结构使得片与片之间容易堆叠，造成复杂的电极/电解质界面，离子实际的迁移路径往往是弯曲且长的，极大增加了离子迁移阻力，使得器件具有较低的响应能力(低于1Hz)而不能应用于滤波电容器。另一方面，MXene的环境稳定性也待进一步提高。鉴于此，有必要对MXene电极进行改性使之具有较高频率响应达到实际滤波要求，充分发挥其超高比容量以及体积优势，解决目前市场上大容量滤波电容器笨重的体
积和较大的等效串联电感。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种竖直MXene电极材料及其制备方法和滤波电容器，对MXene材料进行界面化学改性，通过定制MXene表面电性质从而改变MXene纳米片在溶液中的分散状态，通过溶液自组装得到具有三维竖直结构的MXene电极材料，并极大增强MXene在水系环境下的稳定性，有效解决了现有技术中器件的频率响应不高和MXene的环境稳定性较低等问题。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种竖直MXene电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)采用超纯水溶解MXene材料配置MXene溶液，然后在冰浴条件下超声，离心，得胶体溶液；
[0009](2)将步骤(1)所得胶体溶液进行生物试剂热处理，去除多余生物试剂，得改性MXene溶液；然后改性MXene溶液通过刮涂、喷涂或真空辅助抽滤，得MXene膜电极；再将MXene膜电极真空干燥后进行微纳加工，得电极片；
[0010](3)将不锈钢网进行表面镀金，得集流体；然后与步骤(2)所得电极片进行辊压，得竖直MXene电极材料。
[0011]进一步，步骤(1)中，MXene材料为Ti3C2T
x
、Nb2CT
x
、V2CT
x
；MXene溶液浓度为5
‑
25mg/mL。
[0012]进一步，步骤(1)中，在600
‑
700W功率下超声20
‑
120min，在2000
‑
8000r/min条件下离心。
[0013]进一步，步骤(2)中，生物试剂为柠檬酸钠、谷胱甘肽或抗坏血酸。
[0014]进一步，步骤(2)中，在50
‑
85℃温度下热处理5
‑
7h，在超纯水环境下透析去除多余生物试剂。
[0015]进一步，生物试剂和胶体溶液质量体积比为0.176g：20mL。
[0016]进一步，步骤(2)中，在40
‑
55℃温度下真空干燥12
‑
24h，通过激光达标或模切冲孔进行微纳加工至直径为8
‑
12mm。
[0017]进一步，步骤(3)中，通过原子层沉积、磁控溅射或物理气相沉积进行镀金。
[0018]上述竖直MXene电极材料的制备方法制得的竖直MXene电极材料。
[0019]上述竖直MXene电极材料在滤波电容器制备中的应用。
[0020]一种滤波电容器，通过以下方法制备得到：
[0021]将上述竖直MXene电极材料组装成CR2032型扣式电容，隔膜为纤维素隔膜，电解质为氢氧化钾，得滤波电容器。
[0022]上述滤波电容器在滤波电路中的应用，将滤波电容器并联接在滤波电路板上，使滤波电容器正负极与滤波电路电路板的正负极导电引脚相连。
[0023]本专利技术具有以下有益效果：
[0024]1、本专利技术对MXene材料进行界面化学改性，改变MXene纳米片在溶液中的分散状态，通过溶液自组装得到具有三维竖直结构的MXene电极材料，同时极大增强MXene在水系环境下的稳定性，同时利用紫外激光打标机定制电极尺寸，将电极组装成CR2032对称型扣
式电容，测试结果显示其优异的滤波性能与循环性能。此外，本专利技术可以通过改变电极质量，电解质类型，串并联等方式调控滤波电容的容量，工作电压窗口等参数；有效解决了现有技术中器件的频率响应不高和MXene的环境稳定性较低等问题。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种竖直MXene电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用超纯水溶解MXene材料配置MXene溶液，然后在冰浴条件下超声，离心，得胶体溶液；(2)将步骤(1)所得胶体溶液进行生物试剂热处理，去除多余生物试剂，得改性MXene溶液；然后改性MXene溶液通过刮涂、喷涂或真空辅助抽滤，得MXene膜电极；再将MXene膜电极真空干燥后进行微纳加工，得电极片；(3)将不锈钢网进行表面镀金，得集流体；然后与步骤(2)所得电极片进行辊压，得竖直MXene电极材料。2.如权利要求1所述的竖直MXene电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述MXene材料为Ti3C2T
x
、Nb2CT
x
、V2CT
x
；所述MXene溶液浓度为5
‑
25mg/mL。3.如权利要求1所述的竖直MXene电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在600
‑
700W功率下超声20
‑
120min，在2000
‑
8000r/min条件下离心。4.如权利要求1所述的竖直MXene...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，蒲石，谢岩廷，杨维清，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：