CN106098394A - 二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料及其制备方法及用该材料制备复合电极的方法 - Google Patents
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Abstract
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料及其制备方法及用该材料制备复合电极的方法。以Ti3C2纳米材料为基体,通过尿素化学剥离和热处理氮掺杂制备二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料,并将其应用在电化学电容器方面。相比所报道其他制备方法,这种方法能够方便、快捷、环保、安全的控制层片的分层剥离和氮元素的掺杂。采用尿素剥离Ti3C2,即能减小Ti3C2纳米片的层数,也能扩大层间距,从而提高了其比表面积;进一步氮掺杂分层Ti3C2纳米片,不仅改善了材料的电导率,而且提高了其赝电容活性位的利用率,最终增强了Ti3C2复合电极的比容量、倍率性能等电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于纳米功能材料及电化学储能器件领域,特别涉及一种二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料及其制备方法及用该材料制备复合电极的方法。
背景技术
二维层状过渡金属碳化物Ti3C2纳米材料是利用三元层状Ti3AlC2化合物层间作用力的差异,通过腐蚀方法将Al层剥离而得。这类纳米材料拥有与石墨烯(Graphene)类似的二维结构,将其称为MXene。MXene拥有独特的类石墨烯结构,较大的比表面积,良好的导电性,亲水性等特性,使吸附、光催化、锂离子电池、太阳能电池、生物传感器等方面得到了广泛的应用。作为一种新型的储能材料,在超级电容器上,对于MXenes的研究近年来也很多。Yury Gogotsi等人发现,作为超级电容器的电极材料,Ti3C2材料表现出了超高的体积比容量。在电化学过程中,电解液中的多种阳离子均能通过插层作用进入到二维Ti3C2层间。这一点,通过在不同充放电状态下的XRD图谱,可以清晰的反映出电极材料层间距的变化,进而说明阳离子的嵌入/脱出。尽管在体积比容量上可以达到350F/cm3,但质量比容量还较低,只有100F/g左右。然而Ti3C2纳米材料自身导电性和比容量偏低,导致其电化学性能欠佳,MXene基电化学电容器的应用也有待进一步探究。
研究发现N2H4·H2O等有机小分子可以插层Ti3C2Tx、TiNbCTx、Ti3CNTx,增大MXene层间距。其中,二甲基亚砜(DMSO)插层Ti3C2Tx后,经超声波处理,可完全分层得到像“纸”一样形貌的纳米Ti3C2Tx
薄片(≤5层Ti3C2Tx),而插层之前Ti3C2Tx的厚度大约有10层左右。浸泡在常见的酸碱盐溶液中,Li+、Na+、Mg2+、K+、NH4 +和Al3+等阳离子可自发进入Ti3C2Tx层间,引起c轴方向不同程度的膨胀,电化学性能得到大幅提高。插层和分层是改性粘土的重要方法之一,从结构和性能上看,MXenes是一类“导电亲水粘土”,因此,制备有机插层MXene复合物和“MXene纸”是未来研究的重点。
氮掺杂的方式更多,如在前驱体中加入三聚氰胺、聚苯胺,或采用氨化、等离子体等方法处理材料,均可实现氮掺杂。氮掺杂的种类分为骨架氮,即季氮(N-Q)、吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)、氧化氮(N-X)。Mentus et al.直接炭化改性过的聚苯胺,得到富含氮的纳米炭材料,5mV/s时其最高比电容为410F/g。Tkachev et al.则系统地考察了不同掺氮量对炭纳米纤维的结构及电导率的影响,认为氮的引入导致石墨晶格扭曲,从而产生缺陷。当掺杂3.1wt.%的氮时,由于π电子的离域的缘故,导致材料的电导率最高。Kang和Choi et al.用等离子体法在石墨稀中掺氮,通过扫描光电子显微镜观测氮的构型和边缘氮和平面氮的分配比例,认为平面氮构型才是取得高比电容的原因。该氮掺杂的石墨稀表现出良好的电化学性能,如循环寿命高达20万次,单电极比电容为280F/g。Zhang et al.通过在溶胶凝胶过程中添加三聚氰胺,得到富氮中孔炭,不但具有高的孔容(2.49cm3/g),较高的比表面积(777m2/g),在0.2A/g下,材料的比电容为245F/g。利用这些掺杂的含氮官能团,可以进一步均匀的负载金属氧化物颗粒,提高赝电容活性位的利用率。值得注意的是,在有机电解液、碱性电解液和中性电解液中,因为没有氮参与赝电容反应,导致材料的比电容比在酸性电解液中要低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料及其制备方法及用该材料制备复合电极的方法,以Ti3C2纳米材料为基体,通过尿素化学剥离和氮掺杂制备二维氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料,并将其应用在电化学电容器方面,所制备的二维层状材料将展现出优异的电化学性能。
本发明二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:二维层状Ti3C2纳米材料的制备;
按照专利201410812056.7的方法合成二维层状Ti3C2纳米材料;
步骤二:二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备;
首先,取300-3000mg步骤二的Ti3C2纳米粉体加入到10-100g的质量浓度为50%的尿素水溶液中,于40-70℃搅拌均匀;
然后,加入超纯水稀释至Ti3C2质量的300-1000倍,以频率为40-100Hz,超声分散4-8h;
其次,用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗,每次以4000-9000rpm离心2-4min,得到分离固体,在60-120℃真空干燥,得到二维层状Ti3C2“纸”纳米材料;
再次,将Ti3C2“纸”与尿素固体按照2:1-1:5的质量比混合,研磨5-20min,分散均匀,并以1-4℃/min的升温速率自室温升温至400-900℃保温1-3h进行热处理,随炉冷却至室温,产物即为二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料。
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料为氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料由含氮“纸”状的二维层状Ti3C2纳米片组成,氮元素含量为8-20at.%,且层片厚度为10-50nm。
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料制备复合电极的方法,包括以下步骤:
首先,称取1-10mg的PVDF粉末并分散在0.2-2mL的N-甲基吡咯烷酮溶剂中,磁力搅拌至透明粘稠状得混合物;
然后,取1-10mg的导电炭黑加入到上述混合物中搅拌形成均匀的浆料,再取8-80mg的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料加入浆料中,搅拌形成略带粘稠的浆料;
其次,用刮刀将浆料涂在钛箔上,室温干燥后,剪取1*1-3*3cm2的电极片,并放入真空烘箱中于60-120℃下烘干,即为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极。
将氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极作为工作电极,铂片电极(面积与工作电极相同)为辅助电极,银氯化银为参比电极,在6mol/L的KOH电解液下,组装电化学电容器三电极系统。
本发明的有益效果:
本发明以Ti3C2纳米材料为基体,通过尿素化学剥离和热处理氮掺杂制备二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料,并将其应用在电化学电容器方面。相比所报道其他制备方法,这种方法能够方便、快捷、环保、安全的控制层片的分层剥离和氮元素的掺杂。采用尿素剥离Ti3C2,即能减小Ti3C2纳米片的层数,也能扩大层间距,从而提高了其比表面积;进一步氮掺杂分层Ti3C2纳米片,不仅改善了材料的电导率,而且提高了其赝电容活性位的利用率,最终增强了Ti3C2复合电极的比容量、倍率性能等电化学性能。在超级电容器等电极材料储能领域,二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料将拥有更高的电化学性能。并且为其进一步在锂离子电池等其它电子器件上的应用奠定了基础。此外,这种化学剥离和热处理方法由于其设备要求低、操作简便、成本低廉等优势,有利于工业化大规模生产。
附图说明
图1为实施例1制备二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的SEM。
图2为实施例1制备二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的XRD。
图3为实施例1制备二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的SEM和EDS图。
图4为实施例1制备的氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极在三电极系统下不同扫描速率的循环伏安曲线。
图5为实施例1制备的氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极在不同扫描速率下MnO2-Ti3C2基复合电极和Ti3C2基复合电极的比容量。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1:
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备包括:
步骤一:二维层状Ti3C2纳米材料的制备;
按照专利201410812056.7的方法合成二维层状Ti3C2纳米材料;
步骤二:二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备;
首先,取300mg步骤二的Ti3C2纳米粉体加入到10g的质量浓度为50%的尿素水溶液中,于60℃搅拌均匀;
然后,加入超纯水稀释至Ti3C2质量的500倍,以频率为60Hz,超声分散6h;
其次,用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗,每次以5000rpm离心4min,得到分离固体,在80℃真空干燥,得到二维层状Ti3C2“纸”纳米材料;
再次,将Ti3C2“纸”与尿素固体按照1:1的质量比混合,研磨10min,分散均匀,并以2℃/min的升温速率自室温升温至500℃保温3h进行热处理,随炉冷却至室温,产物即为二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料。
所制备的氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料由含氮“纸”状的二维层状Ti3C2纳米片组成,氮元素含量为8-20at.%,且层片厚度为10-50nm。
图1-3为所得氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的SEM、XRD和EDS图,可以看出Ti3C2纳米片层片变薄,层数减小,扩大了层间距,提高了层状材料的比表面积;而且氮掺杂不仅改善了材料的电导率,而且提高了其赝电容活性位的利用率,增强了Ti3C2复合电极的比容量、倍率性能等电化学性能,使氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的电化学性能更优于纯的Ti3C2。
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料制备复合电极的方法,包括以下步骤:
首先,称取2mg的PVDF粉末并分散在0.4mL的N-甲基吡咯烷酮溶剂中,磁力搅拌至透明粘稠状得混合物;
然后,取2mg的导电炭黑加入到上述混合物中搅拌形成均匀的浆料,再取16mg的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料加入浆料中,搅拌形成略带粘稠的浆料;
其次,用刮刀将浆料涂在钛箔上,室温干燥后,剪取1*1cm2的电极片,并放入真空烘箱中于80℃下烘干,即为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极。
将氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极作为工作电极,铂片电极(1*1cm2)为辅助电极,银氯化银为参比电极,在6mol/L的KOH电解液下,组装电化学电容器三电极系统,使用上海辰华CHI660E电化学工作站测试氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极的电化学性能,如线性循环伏安曲线、恒电流充放电、交流阻抗。图4和图5为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极在不同扫描速率下的CV曲线及质量比容量值,可以看出氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极拥有良好的比容量和倍率性能,将有望应用在电化学电容器电极上。
实施例2:
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备包括:
步骤一:二维层状Ti3C2纳米材料的制备;
按照专利201410812056.7的方法合成二维层状Ti3C2纳米材料;
步骤二:二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备;
首先,取1000mg步骤二的Ti3C2纳米粉体加入到30g的质量浓度为50%的尿素水溶液中,于50℃搅拌均匀;
然后,加入超纯水稀释至Ti3C2质量的300倍,以频率为40Hz,超声分散4h;
其次,用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗,每次以7000rpm离心3min,得到分离固体,在60℃真空干燥,得到二维层状Ti3C2“纸”纳米材料;
再次,将Ti3C2“纸”与尿素固体按照2:1的质量比混合,研磨15min,分散均匀,并以1℃/min的升温速率自室温升温至800℃保温2h进行热处理,随炉冷却至室温,产物即为二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料。
所制备的氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料由含氮“纸”状的二维层状Ti3C2纳米片组成,氮元素含量为8-20at.%,且层片厚度为10-50nm。
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料制备复合电极的方法,包括以下步骤:
首先,称取1mg的PVDF粉末并分散在0.2mL的N-甲基吡咯烷酮溶剂中,磁力搅拌至透明粘稠状得混合物;
然后,取5mg的导电炭黑加入到上述混合物中搅拌形成均匀的浆料,再取40mg的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料加入浆料中,搅拌形成略带粘稠的浆料;
其次,用刮刀将浆料涂在钛箔上,室温干燥后,剪取1*1cm2的电极片,并放入真空烘箱中于60℃下烘干,即为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极。
再次,将氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极作为工作电极,铂片电极(1*1cm2)为辅助电极,银氯化银为参比电极,在6mol/L的KOH电解液下,组装电化学电容器三电极系统,使用上海辰华CHI660E电化学工作站测试氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极的电化学性能,如线性循环伏安曲线、恒电流充放电、交流阻抗。
实施例3:
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备包括:
步骤一:二维层状Ti3C2纳米材料的制备;
按照专利201410812056.7的方法合成二维层状Ti3C2纳米材料;
步骤二:二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备;
首先,取1800mg步骤二的Ti3C2纳米粉体加入到50g的质量浓度为50%的尿素水溶液中,于70℃搅拌均匀;
然后,加入超纯水稀释至Ti3C2质量的700倍,以频率为80Hz,超声分散5h;
其次,用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗,每次以4000rpm离心4min,得到分离固体,在120℃真空干燥,得到二维层状Ti3C2“纸”纳米材料;
再次,将Ti3C2“纸”与尿素固体按照1:3的质量比混合,研磨8min,分散均匀,并以4℃/min的升温速率自室温升温至400℃保温1h进行热处理,随炉冷却至室温,产物即为二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料。
所制备的氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料由含氮“纸”状的二维层状Ti3C2纳米片组成,氮元素含量为8-20at.%,且层片厚度为10-50nm。
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料制备复合电极的方法,包括以下步骤:
首先,称取5mg的PVDF粉末并分散在1mL的N-甲基吡咯烷酮溶剂中,磁力搅拌至透明粘稠状得混合物;
然后,取1mg的导电炭黑加入到上述混合物中搅拌形成均匀的浆料,再取8mg的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料加入浆料中,搅拌形成略带粘稠的浆料;
其次,用刮刀将浆料涂在钛箔上,室温干燥后,剪取1*2cm2的电极片,并放入真空烘箱中于100℃下烘干,即为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极。
再次,将氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极作为工作电极,铂片电极(1*2cm2)为辅助电极,银氯化银为参比电极,在6mol/L的KOH电解液下,组装电化学电容器三电极系统,使用上海辰华CHI660E电化学工作站测试氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极的电化学性能,如线性循环伏安曲线、恒电流充放电、交流阻抗。
实施例4:
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备包括:
步骤一:二维层状Ti3C2纳米材料的制备;
按照专利201410812056.7的方法合成二维层状Ti3C2纳米材料;
步骤二:二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备;
首先,取2400mg步骤二的Ti3C2纳米粉体加入到80g的质量浓度为50%的尿素水溶液中,于40℃搅拌均匀;
然后,加入超纯水稀释至Ti3C2质量的850倍,以频率为100Hz,超声分散8h;
其次,用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗,每次以9000rpm离心2min,得到分离固体,在100℃真空干燥,得到二维层状Ti3C2“纸”纳米材料;
再次,将Ti3C2“纸”与尿素固体按照1:5的质量比混合,研磨20min,分散均匀,并以4℃/min的升温速率自室温升温至600℃保温3h进行热处理,随炉冷却至室温,产物即为二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料。
所制备的氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料由含氮“纸”状的二维层状Ti3C2纳米片组成,氮元素含量为8-20at.%,且层片厚度为10-50nm。
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料制备复合电极的方法,包括以下步骤:
首先,称取8mg的PVDF粉末并分散在1.5mL的N-甲基吡咯烷酮溶剂中,磁力搅拌至透明粘稠状得混合物;
然后,取10mg的导电炭黑加入到上述混合物中搅拌形成均匀的浆料,再取80mg的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料加入浆料中,搅拌形成略带粘稠的浆料;
其次,用刮刀将浆料涂在钛箔上,室温干燥后,剪取3*3cm2的电极片,并放入真空烘箱中于120℃下烘干,即为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极。
再次,将氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极作为工作电极,铂片电极(3*3cm2)为辅助电极,银氯化银为参比电极,在6mol/L的KOH电解液下,组装电化学电容器三电极系统,使用上海辰华CHI660E电化学工作站测试氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极的电化学性能,如线性循环伏安曲线、恒电流充放电、交流阻抗。
实施例5:
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备包括:
步骤一:二维层状Ti3C2纳米材料的制备;
按照专利201410812056.7的方法合成二维层状Ti3C2纳米材料;
步骤二:二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备;
首先,取3000mg步骤二的Ti3C2纳米粉体加入到100g的质量浓度为50%的尿素水溶液中,于50℃搅拌均匀;
然后,加入超纯水稀释至Ti3C2质量的1000倍,以频率为50Hz,超声分散7h;
其次,用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗,每次以8000rpm离心3min,得到分离固体,在90℃真空干燥,得到二维层状Ti3C2“纸”纳米材料;
再次,将Ti3C2“纸”与尿素固体按照1:4的质量比混合,研磨5min,分散均匀,并以2℃/min的升温速率自室温升温至900℃保温2h进行热处理,随炉冷却至室温,产物即为二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料。
所制备的氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料由含氮“纸”状的二维层状Ti3C2纳米片组成,氮元素含量为8-20at.%,且层片厚度为10-50nm。
二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料制备复合电极的方法,包括以下步骤:
首先,称取10mg的PVDF粉末并分散在2mL的N-甲基吡咯烷酮溶剂中,磁力搅拌至透明粘稠状得混合物;
然后,取8mg的导电炭黑加入到上述混合物中搅拌形成均匀的浆料,再取65mg的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料加入浆料中,搅拌形成略带粘稠的浆料;
其次,用刮刀将浆料涂在钛箔上,室温干燥后,剪取3*3cm2的电极片,并放入真空烘箱中于90℃下烘干,即为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极。
将氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极作为工作电极,铂片电极(3*3cm2)为辅助电极,银氯化银为参比电极,在6mol/L的KOH电解液下,组装电化学电容器三电极系统,使用上海辰华CHI660E电化学工作站测试氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极的电化学性能,如线性循环伏安曲线、恒电流充放电、交流阻抗。
Claims (3)
1.二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:二维层状Ti3C2纳米材料的制备;
按照专利201410812056.7的方法合成二维层状Ti3C2纳米材料;
步骤二:二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料的制备;
首先,取300-3000mg步骤二的Ti3C2纳米粉体加入到10-100g的质量浓度为50%的尿素水溶液中,于40-70℃搅拌均匀;
然后,加入超纯水稀释至Ti3C2质量的300-1000倍,以频率为40-100Hz,超声分散4-8h;
其次,用超纯水和无水乙醇分别离心分离清洗,每次以4000-9000rpm离心2-4min,得到分离固体,在60-120℃真空干燥,得到二维层状Ti3C2“纸”纳米材料;
再次,将Ti3C2“纸”纳米粉体与尿素粉体按照2:1-1:5的质量比混合,研磨5-20min,研磨均匀,并以1-4℃/min的升温速率自室温升至400-900℃保温1-3h进行热处理,随炉冷却至室温,产物即为二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料。
2.二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料,其特征在于:氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合电极材料由含氮“纸”状的二维层状Ti3C2纳米片组成,氮元素含量为8-20at.%,且层片厚度为10-50nm。
3.一种如权利要求2所述的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料制备复合电极的方法,其特征在于,包括以下步骤:
首先,称取1-10mg的PVDF粉末并分散在0.2-2mL的N-甲基吡咯烷酮溶剂中,磁力搅拌至透明粘稠状得混合物;
然后,取1-10mg的导电炭黑加入到上述混合物中搅拌形成均匀的浆料,再取8-80mg的二维层状氮掺杂Ti3C2“纸”纳米复合材料加入浆料中,搅拌形成略带粘稠的浆料;
其次,用刮刀将浆料涂在钛箔上,室温干燥后,剪取1*1-3*3cm2的电极片,并放入真空烘箱中于60-120℃下烘干,即为氮掺杂Ti3C2“纸”基复合电极。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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