【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料制备，具体涉及一种三明治结构的纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、shanglong peng教授等人通过水热法在mxene纳米片表面生长vs4纳米粒子构建复合结构，并混合石墨烯制备自支撑多组分分级网络气凝胶，将其用作高稳定性li-s电池的多硫化物锚定催化介质。yana liu等通过水热法合成得到了vs4与mxene的复合产物，用于镁离子电池的研究。seung-keun park等使用静电纺丝方法和原位热解硫化成功制备了高度稳定的一维vs4/碳复合材料，用于高性能钾离子电池。
2、目前已有的研究在这些复合产物的制备上还具有很多不足之处，一方面是材料产量低，不利于大规模的制备；另一方面则是复合产物的形貌不佳，目前制备的复合产物多为粉体，复合产物的vs4易发生团聚，同时将vs4直接暴露在电解液环境下不利于固体电解质界面的稳定，电化学储能性能提升不高，而且还容易从基体上脱落。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：提供一种三明治结构的纳米纤维复合材料及其制备方法和应用，以解决传统的粉体活性材料制备电极工艺繁琐、循环稳定性不够的技术问题。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
3、s1、将聚丙烯腈溶于有机溶剂中，搅拌10-14h，得到纺丝液，随后通过静电纺丝得到纳米纤维膜；
4、s2、将纳米纤维膜置于空气中、于250-30
5、s3、将钒源和硫源加入到有机溶剂中混合均匀，随后将碳纳米纤维膜浸入混合液中，于150-200℃下水热反应1.5-2.5h，冲洗，得到cnfs@vs4纤维膜；钒源和硫源中钒元素和硫元素的摩尔比为1-2：1；
6、s4、将cnfs@vs4纤维膜浸入mxene溶液中浸泡20-40min以形成mxene涂层，然后干燥，得到三明治结构的cnfs@vs4@mxene纳米纤维复合材料。
7、本专利技术采取上述技术方案的有益效果是：采用静电纺丝法制备的碳纳米纤维膜作为芯层，具有比表面积大、导电性好、柔韧性好、与活性材料键合牢固，n掺杂的cnf形成3d导电核心网络，可以作为锚定vs4的基体，从而抑制电化学反应过程中vs4的团聚，是一种极佳的负载活性物质的基底材料，碳纳米纤维三维导电网络的特殊结构也为电化学反应提供了良好的电子和离子扩散通道，缩短了离子的扩散距离，从而降低了活性电极的内部电阻，有利于电子、离子等在电解液与电极材料间的传递和转移。
8、vs4纳米层原位生长在碳纳米纤维表面作为中间活性层，生长致密，形貌均一，vs4纳米层锚定在碳纳米纤维表面，牢固的键合防止了材料脱落、增强了界面电输运；mxene/vs4纳米纤维复合材料能够利用其界面效应，增加了锂(钠)离子的储存密度以及循环稳定性。
9、mxene被用作壳层充分利用了mxene的高导电性，不仅为表面的活性材料提供了高速的电荷转移途径，增加了电池的充放电速率，而且还起到稳定反应产物(封装多硫化物)、缓冲vs4在充放电过程中的体积变化、稳定固液接触界面的作用。
10、在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：
11、进一步，有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺或乙二醇。
12、进一步，搅拌时的转速为3500-4000rpm。
13、进一步，静电纺丝的具体步骤为：将纺丝液装入装有18g钝头针的注射器中，在针尖施加18-22千伏的正电压，并将覆盖着铝箔的收集器接地，针尖与收集器的距离为13-17cm，纺丝液的注入速度为1-1.5ml/h，空气湿度小于30％，得到纳米纤维膜。
14、进一步，保护性气氛所用气体为氩气或氮气。
15、进一步，预处理时的升温速率为4-6℃/min；碳化时的升温速率为1-3℃/min。
16、进一步，钒源为v2o5、v2o3、navo3或钒酸铵；硫源为硫代乙酰胺、硫代硫酸铵、硫代硫酸钠、硫脲、过硫酸铵或过硫酸钠。
17、进一步，mxene溶液的浓度为15-25mg/ml。
18、进一步，干燥温度为-50～-10℃，干燥时间为22-26h。
19、本专利技术还公开了采用三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法制得的cnfs@vs4@mxene纳米纤维复合材料。
20、本专利技术还公开了cnfs@vs4@mxene纳米纤维复合材料在制备电极材料中的应用。
21、本专利技术的有益效果为：
22、1、本专利技术制备工艺简单，制得的复合材料形貌可控，可用于大量制备形貌均一、柔韧性好、电导率高的三明治结构的cnfs@vs4@mxene纳米纤维复合材料，这种三明治结构的纳米纤维设计为中间层的活性材料提供了双重保护，可实现良好的协同作用，构筑的三维网络结构可以加快电子和电解质离子在电极中的传输速率，制得的复合材料在10a g-1的大电流密度下即使在400次循环后，可逆容量也可以达到270mah g-1左右，表现出高电流密度下极佳的稳定性，达到了改善材料电化学性能的目的。
23、2、本专利技术制得的cnfs@vs4@mxene纳米纤维复合材料可以直接用做电极，避免了传统的粉体活性材料制备电极的繁琐工序和绝缘聚合物粘结剂的添加；在回收方面，这种静电纺丝法制备自支撑薄膜相比于粉体更方便回收再利用，具有很好的环保优势。
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1.一种三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或乙二醇。
3.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌时的转速为3500-4000rpm。
4.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的具体步骤为：将纺丝液装入装有18G钝头针的注射器中，在针尖施加18-22千伏的正电压，并将覆盖着铝箔的收集器接地，针尖与收集器的距离为13-17cm，纺丝液的注入速度为1-1.5mL/h，空气湿度小于30％，得到纳米纤维膜。
5.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述保护性气氛所用气体为氩气或氮气。
6.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述钒源为V2O5、V2O3、NaVO3或钒酸铵；所述硫源为硫代乙酰胺、硫代硫酸铵、硫代硫酸钠、硫脲、过硫酸
7.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述MXene溶液的浓度为15-25mg/mL。
8.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为-50～-10℃，干燥时间为22-26h。
9.采用权利要求1-8任一项所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法制得的CNFs@VS4@MXene纳米纤维复合材料。
10.权利要求9所述的CNFs@VS4@MXene纳米纤维复合材料在制备电极材料中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺或乙二醇。
3.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌时的转速为3500-4000rpm。
4.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的具体步骤为：将纺丝液装入装有18g钝头针的注射器中，在针尖施加18-22千伏的正电压，并将覆盖着铝箔的收集器接地，针尖与收集器的距离为13-17cm，纺丝液的注入速度为1-1.5ml/h，空气湿度小于30％，得到纳米纤维膜。
5.根据权利要求1所述的三明治结构的纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述保护...
【专利技术属性】
技术研发人员：李星，郭英，程少博，单崇新，皇文涛，万丽，闫伟伟，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：
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