【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术涉及一种mxene/硅复合材料及其制备和作为锂离子电池负极的应用。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、电动交通工具、清洁能源存储和便携式电子产品飞速发展对二次电池的能量密度提出了更高要求。能量密度的提高取决于电极材料的性能，目前锂离子电池中商用石墨负极材料的理论容量只有372mah/g，而以石墨为负极材料构建的动力电池的能量密度却很难超过300wh/kg，因此研究和开发新型高容量负极材料迫在眉睫。
2、硅因其具有高的理论容量(4200mah/g)，而受到研究者们的广泛关注。然而，在电池的循环过程中，硅负极会跟锂发生合金化反应，产生严重的体积效应，导致体积膨胀度高达300％。这会引起电解质和硅基界面间生成的固体电解质界面膜(sei)不断地发生破裂和反复生长，持续消耗电解质，导致电池阻抗增大，最终使电池的电化学性能恶化。因此，在以往的研究中，研究人员首先通过减少硅颗粒的体积来遏制其体积效应，并探索出不同的纳米制备方法。所制备的硅纳米颗粒、硅纳米线、硅纳米管、以及硅纳米多孔结构都具良好的电化学性能。其次，通过少量硅和石墨的掺杂，来提高硅基负极的振实密度，改善硅基负极的低的电子电导、并通过石墨层间的间隙来削弱体积效应带来的危害。最后，研究人员使用多种新型碳材料与硅基复合，比如石墨烯、碳纳米管、多孔碳微球、mxene等，当与硅基材料进行复合时，这些新的碳材料都能有效地改善硅负极的缺陷，从而赋予硅基负极优异的电化学性能。其中，最特殊的碳材料是mxene材料，mxene材料是一类二维无机化合物材料，由几
3、随着化学气相沉积制备硅碳负极的研究日渐兴起，为制备mxene/硅复合材料提供了新的方向。化学气相沉积(cvd)技术通常用于材料的表面改性过程中，旨在材料的表面利用气态物质在一定温度下进行化学反应并生成固态沉积膜的过程。由于气体分子的活泼性、微小性，其可以实现常规的物理复合等方法无法实现的结构调控。上述所说，mxene材料独特的层状结构具有纳米的孔隙可以限制硅负极体积效应，然而，常规的复合手段无法深入到其层间，无法使mxene材料在硅负极中发挥限域的作用。因此，利用气态硅基前驱体，可以把硅基材料锚定到mxene材料纳米空隙和孔道中，实现真正的限域，并提高mxene/硅复合材料的电化学性能。
技术实现思路
0、(三)
技术实现思路
1、针对硅负极存在的系列难题，本专利技术旨在提供一种mxene/硅复合材料及其制备方法和作为锂离子电池负极材料的应用。
2、为实现本专利技术目的，下面说明本专利技术的技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供了一种mxene/硅复合材料的制备方法，在mxene层间引入金属催化剂，利用cvd法通过不同金属催化硅烷在mxene层间分解和沉积制备mxene/硅复合材料，所述制备方法包括如下步骤：
4、(1)取max原材料，在氢氟酸溶液中处理得到mxene材料；
5、(2)将步骤(1)得到的mxene材料浸泡在含有阳离子表面活性剂含量为0.001-20g/ml的溶液中，于20-100℃下搅拌0.5～72h，得到阳离子表面活性剂插层的mxene材料溶液；
6、(3)在步骤(2)得到的阳离子表面活性剂插层的mxene材料溶液中加入金属可溶性盐，于20-100℃下搅拌0.5～72h，然后离心、水洗、干燥得到金属插层的mxene材料；
7、(4)将步骤(3)得到的金属插层mxene材料在保护气氛下以1～10℃/min的速率升温至300-1000℃，保温0.1～12h来活化金属，激活其催化作用，然后降温到200-800℃，以0.01～5l/min的流量通入含有硅烷的气体1～240min，而后保温0.1～12h，最后以1～20℃/min的速率冷却至室温，得到mxene/硅复合材料。
8、本专利技术步骤(1)中，所述的mxene材料可以是ti3c2、ti2c、ti4c3、ti2n、nb2c、nb4c3、ta2c、ta4c3、v2c、v3c2、v2n、cr2c、cr3c2、zr3c2、hf3c2、mo2c、mo2n、w2n、cr2tic2、mo2tic2、mo2ti2c3、tinbc或ti3cn。本领域技术人员可以根据所需制备的mxene材料，选择合适的max原材料，并通过文献报道的方法制备mxene材料。优选的，步骤(1)的具体操作为：称取max原材料，加入质量分数为10～50％的hf溶液中，其中hf溶液的投加量以max原材料的质量计为3～50ml/g，室温下浸泡2～56h(更优选24～36h)，然后离心、水洗至ph＝6～7、干燥得到mxene粉末。
9、本专利技术步骤(2)中，所述的阳离子表面活性剂为十烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的一种或任意几种的组合，优选其纯度大于90％。所述溶液中阳离子表面活性剂浓度优选为0.001-0.5mol/l，更优选0.005-0.3mol/l。含有阳离子表面活性剂的溶液的投料量以mxene材料的质量计为5～1000ml/g，优选50～500ml/g。步骤(2)中的搅拌优选在30-80℃、更优选在30-65℃、更进一步优选在30～50℃下进行，搅拌时间优选为1-36h，更优选3～24h，更进一步优选10～24h。
10、本专利技术步骤(3)中，所述的金属可溶性盐是含铁、钴、镍、铅、铜、铝、锑、锰、锡、锌、钼、钒、锆、钨元素中的至少一种的可溶性盐，所述的可溶性盐可以是金属的氯化盐、硝酸盐、硫酸盐或乙酸盐；优选金属可溶性盐纯度大于90％。所述金属可溶性盐的加入浓度为0.001～1mol/l。进一步，步骤(3)中的搅拌优选在20-70℃、更优选在20-60℃下进行，搅拌时间优选1-36h，更优选5～24h。
11、本专利技术步骤(4)中，所述的含有硅烷的气体为硅烷与其他气体的混合气体，所述其他气体为氩气、氮气和氢气中一种或任意几种的混合，优选氩气、氮气和氢气的纯度均大于90％，同时优选硅烷的纯度也大于90％。所述含有硅烷的气体中，硅烷和其他气体的体积比例优选10-30％:90-70％，更优选10-20％:90-80％，最优选10％:90％。
12、本专利技术步骤(4)中，所述的金属插层mxene材料在保护气氛下优选先以2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种MXene/硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的阳离子表面活性剂为十烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的一种或任意几种的组合。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的搅拌在30-80℃、优选在30-65℃、更优选在30～50℃下进行，搅拌时间为1-36h，优选3～24h，更优选10～24h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的金属可溶性盐是含铁、钴、镍、铅、铜、铝、锑、锰、锡、锌、钼、钒、锆、钨元素中的至少一种的可溶性盐，所述的可溶性盐是金属的氯化盐、硝酸盐、硫酸盐或乙酸盐。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的搅拌在20-70℃、优选在20-60℃下进行，搅拌时间为1-36h，优选5～24h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的含有硅烷的气体
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的金属插层MXene材料在保护气氛下先以2-8℃每分钟的速率升温到400-1000℃保温1-12h用以活化金属，激活其催化性能，此温度优选400-900℃，更优选500-800℃，保温时间为1-8h，优选1-6h；随后降温到200-800℃，此温度优选300-800℃，更优选400-700℃，通入含硅烷的气体的流量为0.01～5L/min，优选0.1-3L/min，更优选0.1-2L/min，通入含硅烷的气体的时间为1～240min，优选1～180min，更优选1～120min，而后保温0.1-12h，优选0.1～10h，更优选0.5～6h，最后以1～20℃/min的速率冷却至室温，优选降温速率为1～15℃/min，更优选降温速率为1～10℃/min。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述MXene/硅复合材料制备方法由步骤(1)～(4)组成。
9.一种根据权利要求1-8之一所述制备方法制得的MXene/硅复合材料。
10.如权利要求9所述的MXene/硅复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种mxene/硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的阳离子表面活性剂为十烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的一种或任意几种的组合。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的搅拌在30-80℃、优选在30-65℃、更优选在30～50℃下进行，搅拌时间为1-36h，优选3～24h，更优选10～24h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的金属可溶性盐是含铁、钴、镍、铅、铜、铝、锑、锰、锡、锌、钼、钒、锆、钨元素中的至少一种的可溶性盐，所述的可溶性盐是金属的氯化盐、硝酸盐、硫酸盐或乙酸盐。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的搅拌在20-70℃、优选在20-60℃下进行，搅拌时间为1-36h，优选5～24h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的含有硅烷的气体为硅烷与其他气体的混合气体，所述其他气体为氩气、氮气和氢气中一种或任意几种的混合；所述含有硅烷的气体中，硅烷和其他...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗剑敏，方贤德，袁华栋，佴建威，刘育京，王垚，邹世辉，陶新永，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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