一种三维多孔Ti3C2膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于无机材料和功能材料制备工艺，公开一种三维多孔Ti3C2膜及其制备方法和应用，其制备方法为：将掺杂源与Ti3C2均匀分散于水溶剂A中，随后于110～130℃的温度下进行水热反应，获得前驱体材料；所述掺杂源为钒源，或氮源和钒源；将所述前驱体材料均匀分散于水溶剂B中，获得前驱体溶液；随后将所述前驱体溶液过滤后，冷冻干燥，即获得所述三维多孔Ti3C2膜。本发明专利技术通过钒和氮共掺杂提供了丰富的活性位点，可以优化金属离子与表面含氧官能团的相互作用，提高电荷在材料表面的传输速度，提供丰富的氧化还原活性位点。丰富的氧化还原活性位点。丰富的氧化还原活性位点。

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔Ti3C2膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及无机材料和功能材料制备工艺，尤其涉及一种三维多孔Ti3C2膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来随着可再生能源，电子设备和新能源汽车的快速发展，迫切需要可以快速充放电，同时又可以保持高能量密度的储能装置。通过耦合电池型电极和电容型电极而组成的混合离子电容器受到广泛关注。这种储能装置既可以满足大电流充放电，保持较高的功率密度，同时也可以提供接近二次电池的能量密度。其中锌离子混合电容器由于金属锌负极的高理论容量，丰富的储量，安全稳定的化学性质等优点受到了广泛的关注，使用水系电解液也大大提高了储能装置的安全性和环境友好性。为了匹配高容量的锌负极，寻找一种高比容量的电容型正极材料成为研究的重点。
[0003]Ti3C2作为一种新兴的二维材料，具有类金属的导电性，丰富的表面基团，快速的离子扩散动力学和良好的机械性能，已经在超级电容器等储能领域有了广泛的研究，这些优点也使得其被认为是锌离子电容器电容型正极的理想材料。提高Ti3C2的比容量，缓解纳米片之间的堆叠依旧是当前的研究重点。
[0004]为了解决上述技术问题，现有技术提出通过模板法，化学蚀刻等多种方法构筑多孔结构以提高Ti3C2比容量，但是上述这些方法制备的Ti3C2材料的活性位点较少，且离子扩散速度缓慢，导致无法有效提高其比容量，也无法提高其能量密度，进而使得制备的Ti3C2材料难以作为锌离子混合电容器正极材料进行实际应用。
[0005]为此，本专利技术提供一种三维多孔Ti3C2膜及其制备方法和应用。

技术实现思路

[0006]为了提高Ti3C2膜作为锌离子混合电容器正极材料的电化学性能，本专利技术提供一种三维多孔Ti3C2膜及其制备方法和应用，本专利技术通过在Ti3C2粉末中引入掺杂源(钒源，或氮源和钒源)以丰富Ti3C2的活性位点，进而优化金属离子与表面含氧官能团的相互作用，提高电荷在材料表面的传输速度，提供丰富的氧化还原活性位点，从而有效的提高Ti3C2的电化学性能，大幅提高锌离子混合电容器的能量密度。
[0007]本专利技术的一种三维多孔Ti3C2膜及其制备方法和应用是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术的第一个目的是提供一种三维多孔Ti3C2膜的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，将掺杂源与Ti3C2均匀分散于水溶剂A中，随后于110～130℃的温度下进行水热反应，获得前驱体材料；
[0010]所述掺杂源为钒源，或氮源和钒源；
[0011]步骤2，将所述前驱体材料均匀分散于水溶剂B中，获得前驱体溶液；
[0012]步骤3，将所述前驱体溶液与硫酸锌溶液混合后进行搅拌处理，过滤，冷冻干燥，即获得所述三维多孔Ti3C2膜。
[0013]进一步地，所述钒源为偏钒酸铵；
[0014]所述氮源为尿素。
[0015]进一步地，当所述掺杂源为钒源时，所述钒源与Ti3C2的摩尔比为0.14～0.16:1；
[0016]当所述掺杂源为氮源和钒源时，所述氮源、钒源与Ti3C2的摩尔比为275～285:0.14～0.16:1。
[0017]进一步地，所述水热反应的反应时间为12～36h；
[0018]且水热反应使用的所述水溶剂A与所述Ti3C2的用量比为1mL:1.5～3mg。
[0019]进一步地，所述前驱体材料与水溶剂B用量比为1～2.5mg:1mL。
[0020]进一步地，所述前驱体溶液与硫酸锌溶液的体积比为100:0.1～3；
[0021]且所述硫酸锌溶液的浓度为0.8～1.2mg/mL。
[0022]进一步地，所述搅拌处理的搅拌速率为400～600r/min，搅拌时间为4～12h。
[0023]进一步地，所述冷冻干燥的温度为
‑
10～
‑
30℃，干燥时间为12～36h。
[0024]本专利技术的第二个目的是提供一种上述制备方法制备的三维多孔Ti3C2膜。
[0025]本专利技术的第三个目的是提供一种上述三维多孔Ti3C2膜在用于制备锌离子电容器中的应用，所述三维多孔Ti3C2膜作为正极。
[0026]本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0027]本专利技术通过在Ti3C2粉末中引入掺杂源(钒源，或氮源和钒源)以丰富Ti3C2的活性位点，进而优化金属离子与表面含氧官能团的相互作用，提高电荷在材料表面的传输速度，提供丰富的氧化还原活性位点，从而有效的提高Ti3C2的电化学性能，大幅提高锌离子混合电容器的能量密度。并且在引入掺杂源的基础上，再引入Zn
2+
，通过Zn
2+
能够引发Ti3C2纳米片均匀的交联，进而获得具有三维多孔结构的Ti3C2膜，且构筑稳定的三维多孔结构可以有效的提高电解液和电极材料的接触面积，大幅提高电荷的传输速度，提供丰富的离子传输通道，加速离子的扩散动力学。
[0028]本专利技术的掺杂源优选为钒源，或氮源和钒源。其中，当单独引入钒源时，V的d轨道对O的p轨道的电子供给效应可以提高Zn
2+
和Ti3C2的相互作用，提高Ti3C2的储锌性能。而在引入钒源的基础上再引入氮源，可以显著提高Zn
2+
在表面的化学吸附，且通过钒(V)和氮(N)共掺杂能够提供更加丰富的活性位点，进而能够进一步优化金属离子与表面含氧官能团的相互作用，提高电荷在材料表面的传输速度，提供丰富的氧化还原活性位点。
[0029]且本专利技术的三维多孔Ti3C2膜作为正极采用制成的锌离子混合电容器具有优异的电化学性能，电极材料具有稳定的三维多孔结构和丰富的活性位点。较高的比表面积可以加速离子传输和反应动力学，钒氮共掺杂可以提供丰富的电化学活性位点。本专利技术制备的锌离子混合电容器具有优异的比电容和循环稳定性。且经实验表明，本专利技术的锌离子混合电容器具有最高的能量密度，可以达到200Wh/Kg，且经过5000圈的充放电循环后依旧可以保持95.26％，具有优异的循环稳定性。
附图说明
[0030]图1为实施例1制备过程中获得的单少层Ti3C2的扫描电子显微镜照片；
[0031]图2为对比例4的Ti3C2膜截面的扫描电子显微镜照片；
[0032]图3为实施例1制备获得的V,N共掺杂Ti3C2膜进行了扫描电子显微镜测试结果，其
中，图3(a)为实施例1制备获得的V,N共掺杂Ti3C2膜在20μm尺度下的扫描电子显微镜的照片；图3(b)为实施例1制备获得的V,N共掺杂Ti3C2膜在5μm尺度下的扫描电子显微镜的照片；
[0033]图4为实施例1制备获得的V,N共掺杂Ti3C2膜在200nm尺度下的扫描电子显微镜的照片；
[0034]图5为实施例1制备获得的V,N共掺杂Ti3C2膜在10nm尺度下的高分辨透射显微镜HRTEM照片；
[0035]图6为实施例1获得的V,N共掺杂Ti3C2膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔Ti3C2膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将掺杂源与Ti3C2粉末均匀分散于水溶剂A中，随后于110～130℃的温度下进行水热反应，获得前驱体材料；所述掺杂源为钒源，或氮源和钒源；步骤2，将所述前驱体材料均匀分散于水溶剂B中，获得前驱体溶液；步骤3，将所述前驱体溶液与硫酸锌溶液混合后进行搅拌处理，过滤，冷冻干燥，即获得所述三维多孔Ti3C2膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钒源为偏钒酸铵；所述氮源为尿素。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当所述掺杂源为钒源时，所述钒源与Ti3C2粉末的摩尔比为0.14～0.16:1；当所述掺杂源为氮源和钒源时，所述氮源、钒源与Ti3C2粉末的摩尔比为275～285:0.14～0.16:1。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述水热反应的反应时间为12～36h；且水热反应使用的所述水溶剂A与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓辉，岳斯亮，靳心惠，胡昊，白佳煜，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：