CN113881040B - 一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)嵌段聚合物自组装：本发明先采用聚环氧乙烷‑嵌段‑聚环氧丙烷‑嵌段‑聚环氧乙烷PEO20‑b‑PPO70‑b‑PEO20三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板；(2)柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片mPDA/MXene的制备。本发明还提供上述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料在CDI电池的应用。本发明以P123为软模板，向MXene两侧引入介孔通道，使材料具有更大的内部活性比表面积和离子传输通道，有望改善电化学性能，具有电容去离子化的应用前景。

Description

一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法及 应用
技术领域
本发明涉及电容去离子化的电极材料领域，尤其涉及一种含面内柱状介孔的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法。
背景技术
近年来，电容去离子化(CDI)作为一种低能耗、无污染的脱盐技术，已成为解决淡水危机的有效方法。目前研究最广泛的CDI电极材料是多孔碳材料。但是，纯碳材料理论电容量较低，极大地限制了材料的脱盐容量(SAC)。其次，大多数多孔碳材料都是微孔结构，电解液在微孔内部的传输速率慢，导致材料的传质速率慢，从而降低脱盐速率(SAR)。
MXene(Ti3C2)具有高比电容和良好的导电性，因此其作为脱盐电极材料，有望实现高的脱盐容量。但是研究表明，MXene纳米片很容易发生堆叠，使得内部活性材料的利用率低；并且MXene容易被氧化，导致容量快速下降。研究发现，在MXene纳米片表面涂覆一层聚合物，形成MXene/聚合物二维复合纳米片，不仅能有效防止纳米片堆叠，聚合物层还可以作为保护层，防止MXene的氧化。此外，合理选择聚合物组分(例如氧化还原活性聚合物)，能赋予材料优异的离子选择性和离子吸附能力，从而提高SAC和SAR。然而，已报道的MXene-聚合物复合纳米片仅限于在MXene片上覆盖致密的聚合物层，材料比表面积受到限制，导致容量无法进一步提高；同时，致密的聚合物层导致电解质离子向MXene内部空间的扩散受到限制，传质速率慢，导致材料的脱盐速率低。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种在聚多巴胺层构造多孔结构，在保留氧化还原电容特性和离子选择性的基础上，增大比表面积，增加活性位点，从而提高电极材料的脱盐容量。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是利用MXene片高比容量和高导电性，改善传统CDI电极材料的低脱盐容量。
为实现上述目的，本发明提供了一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)嵌段聚合物自组装：本发明先采用聚环氧乙烷-嵌段-聚环氧丙烷-嵌段-聚环氧乙烷PEO20-b-PPO70-b-PEO20三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板：将P123溶于去离子水中，搅拌，形成柱状胶束溶液；
(2)柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片mPDA/MXene的制备：向上述聚合物溶液中加入MXene溶液，搅拌后加入盐酸多巴胺DA·HCl，连续搅拌1小时，加入三羟甲基氨基甲烷Tris，从而将溶液调节至pH为8.5；将氨水溶液滴加到混合物中以引发多巴胺的聚合反应；用乙醇和水洗涤并离心，最后经过冷冻干燥，获得mPDA/MXene。
进一步地，步骤1中将100mg所述P123溶于40mL所述去离子水中，在40℃下搅拌2小时，形成所述柱状胶束溶液。
进一步地，步骤2中向所述聚合物溶液中加入6mL的所述MXene溶液，搅拌1小时后加入100mg所述盐酸多巴胺。
进一步地，所述MXene溶液的浓度为2mg/mL。
进一步地，步骤2中加入所述三羟甲基氨基甲烷的加入量为100mg。
进一步地，步骤2中将200μL所述氨水溶液滴加到所述混合物中以引发多巴胺的聚合反应。
进一步地，反应时间为12小时。
本发明还提供上述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料在CDI电池的应用，包括以下步骤：
所述mPDA/MXene作为储Na+电极，活性炭作为储Cl-电极，组装成一个CDI电池。
进一步地，还包括以下步骤：电极材料的制备：质量比为70％:20％:10％的活性物质、导电炭黑和PVDF，在NMP溶剂中混合形成浆料；将所述浆料滴在石墨纸上，在60℃下干燥12h，获得CDI电极材料。
进一步地，所述石墨纸的面积为2.5×2.5cm2。
本发明利用MXene片高比容量和高导电性，改善传统CDI电极材料的低脱盐容量；本发明在聚多巴胺层构造多孔结构，在保留氧化还原电容特性和离子选择性的基础上，增大比表面积，增加活性位点，从而提高材料的脱盐容量；本发明在MXene/聚多巴胺纳米片上构筑面内柱状介孔结构，使得电解质能够沿着柱状孔传输到堆叠的二维复合材料内部，从而提高内部活性物质的利用率和电解质传输效率，提高材料的脱盐性能；本发明结合二维MXene、导电高分子和柱状孔的特点，将该复合纳米片应用于CDI电极材料，具有极高的SAC(48mg·g-1)和SAR(1.33mg·g-1·min-1)，在脱盐材料领域有广阔的应用前景。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的mPDA/MXene的发明原理图；
图2是本发明的一个较佳实施例的mPDA/MXene的扫描电子显微镜图；
图3是本发明的一个较佳实施例的mPDA/MXene的原子力显微镜图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明报道了一种以嵌段共聚物为模板，在MXene表面构筑具有柱状介孔的聚多巴胺层，形成具有介孔结构的MXene/PDA二维复合纳米片。MXene具有高电容量，聚多巴胺层提供了氧化还原电容特性和Na+离子选择性，且避免了MXene的自堆积和氧化。嵌段共聚物作为软模板，其自组装形成的柱状胶束可以向聚多巴胺层引入介孔通道，提供了高比表面积和大量离子传输通道，在CDI电极材料领域展现出优异的性能。具体制备过程如下，还可参考图1：
(1)嵌段聚合物自组装：本发明先采用聚环氧乙烷-嵌段-聚环氧丙烷-嵌段-聚环氧乙烷(PEO20-b-PPO70-b-PEO20)三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板。将100mg P123溶于40mL去离子水中，在40℃下搅拌2小时，形成柱状胶束溶液。
(2)柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片的制备(mPDA/MXene)：向上述聚合物溶液中加入6mL MXene溶液(2mg/mL)，搅拌1小时后加入100mg盐酸多巴胺(DA·HCl)。连续搅拌1小时，加入100mg三羟甲基氨基甲烷(Tris)，从而将溶液调节至pH为8.5。将200μL氨水溶液滴加到混合物中以引发多巴胺的聚合反应，反应12小时。用乙醇和水洗涤几次并离心，最后经过冷冻干燥，获得mPDA/MXene。图2和图3清晰地显示了mPDA/MXene纳米复合材料的片层和介孔结构，该材料可用于CDI电极材料。
实施例1
mPDA/MXene的制备方法如下：
(1)PEO20-b-PPO70-b-PEO20自组装成柱形胶束：将100mg P123溶于去40mL离子水中，在40℃下搅拌2小时，形成聚合物胶束溶液。
(2)向上述聚合物溶液中加入6mL MXene溶液(2mg/mL)，搅拌1小时后加入100mg盐酸多巴胺(DA·HCl)，连续搅拌1小时，胶束可以通过氢键和静电相互作用吸附在MXene的表面，而多巴胺单体则被PEO吸附，从而形成P123/多巴胺复合胶束在MXene纳米片上的密堆积。加入100mg三羟甲基氨基甲烷(Tris)，将溶液调节至pH为8.5。将200μL氨水溶液滴加到混合物中以引发多巴胺的聚合反应，反应12小时。用乙醇和水洗涤几次并离心，最后经过冷冻干燥，获得柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片材料。
为了制备mPDA/MXene复合材料，上述反应物的浓度是最佳的。若增加MXene的用量，柱状介孔的密度明显降低。若减少MXene的用量，过量的多巴胺单体会在纳米片表面上形成厚的聚合物层，因此无法在纳米片上建立介孔通道。
实施例2
CDI电池的制备方法如下：
mPDA/MXene作为储Na+电极，活性炭作为储Cl-电极，组装成一个CDI电池。电极材料的制备：质量比为70％:20％:10％的活性物质、导电炭黑和PVDF，在NMP溶剂中混合形成浆料。将浆料滴在石墨纸上(2.5×2.5cm2)，在60℃下干燥12h，获得CDI电极材料。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）嵌段聚合物自组装：先采用聚环氧乙烷-嵌段-聚环氧丙烷-嵌段-聚环氧乙烷PEO20-b-PPO70-b- PEO20三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板：将P123溶于去离子水中，搅拌，形成柱状胶束溶液；
（2）柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片mPDA/MXene的制备：向聚合物溶液中加入MXene溶液，搅拌后加入盐酸多巴胺DA•HCl，连续搅拌1小时，加入三羟甲基氨基甲烷Tris，从而将溶液调节至pH为8.5；将氨水溶液滴加到混合物中以引发多巴胺的聚合反应；用乙醇和水洗涤并离心，最后经过冷冻干燥，获得所述mPDA/MXene。
2.如权利要求1所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中将100 mg 所述P123溶于40 mL所述去离子水中，在40℃下搅拌2小时，形成所述柱状胶束溶液。
3.如权利要求1所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中向所述聚合物溶液中加入6 mL的所述MXene溶液，搅拌1小时后加入100mg所述盐酸多巴胺。
4.如权利要求3所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，所述MXene溶液的浓度为2mg/mL。
5.如权利要求1所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中加入所述三羟甲基氨基甲烷的加入量为100mg。
6.如权利要求1所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中将200 μL所述氨水溶液滴加到所述混合物中以引发多巴胺的聚合反应。
7.如权利要求6所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，反应时间为12小时。
8.如权利要求1中所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料在CDI电池的应用，其特征在于，包括以下步骤：
所述mPDA/MXene作为储Na+电极，活性炭作为储Cl-电极，组装成一个CDI电池。
9.如权利要求8所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料在CDI电池的应用，其特征在于，还包括以下步骤：电极材料的制备：质量比为70% : 20% : 10%的活性物质、导电炭黑和PVDF，在NMP溶剂中混合形成浆料；将所述浆料滴在石墨纸上，在60℃下干燥12h，获得CDI电极材料。
10.如权利要求9所述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料在CDI电池的应用，其特征在于，所述石墨纸的面积为2.5×2.5 cm2。
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