CN114613952A - 一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料及其制备方法与应用。该方法包括：使用深度低共熔溶剂制备氮掺杂多孔碳(NDPC)，在其丙酮分散液中滴加SnCl2溶液，煅烧得到超细SnO2纳米颗粒嵌入的复合材料(SnO2@NDPC)。将所制备带相反电荷的MXene和SnO2@NDPC在水溶液中静电自组装并经冷冻干燥后得到SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。该方法避免了MXene复合材料制备过程中易氧化的不利条件，得到的纳米复合材料具有高导电的多级结构，促进了电子传输和Li+迁移，并缓解了SnO2充放电过程中的体积膨胀。该材料作为锂离子电容器负极材料具有很好的应用前景。

Description

一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料及其制备方法 与应用
技术领域
本发明属于锂离子电容器(LICs)负极材料制备及应用领域，具体涉及一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着能源匮乏和环境治理问题的日益突出，寻求一种高性能、长循环寿命的储能体系成为现在主要的研究方向。相比传统的锂离子二次电池，锂离子电容器具有相对较大的能量密度和功率密度，表现出其独特的优势。但是由于锂离子电容器的独特结构，其电池型负极和电容型正极的储能动力学失配导致的容量低下，倍率性能差等问题限制了其应用。因此，开发一种具有高比容量，快速的锂离子嵌入/脱嵌机理，良好循环稳定性的理想锂离子电容器负极材料具有重要意义。
MXene(Ti3C2)是一种新兴的二维过渡金属碳化物材料，一般由其三元陶瓷前驱体MAX相材料(Ti3AlC2)刻蚀得到。在实际操作中，通过含氟离子的刻蚀液选择性刻蚀A(Al)层，便能得到管风琴状的多层MXene材料，后续再通过插层剥离便能得到二维的MXene纳米片。由于MXene纳米片独特的二维大片层结构，以及非凡的导电性和良好的结构强度，低锂离子扩散能垒(0.07eV)及优异的亲水性，其在锂离子储能应用上有很大的前景。然而MXene纳米片容易被氧化且理论比容量较低(320mAh·g-1)；同时片层间具有较大的自堆叠倾向，会阻碍锂离子的传输同时丢失活性位点，这些极大限制了它的进一步应用。面对这些问题，将电化学活性物质插入MXene纳米片层间被认为是一种有效的方法。比如，Lin等人制备MXene/CNF作为锂离子电池负极材料，抑制了MXene片层的自堆叠，实验表明MXene/CNF的循环稳定性有明显提高(Lin,Z.,Sun,D.,Huang,Q.,Yang,J.,Barsoum,M.W.,&Yan,X.Carbonnanofiber bridged two-dimensional titanium carbide as a superior anode forlithium-ion batteries.J.Mater.Chem.A.2015,3,14096-14100)，但该研究不能明显提高电极的比容量。
二氧化锡是一种过渡金属氧化物负极材料，由于其具有高比容量，低嵌锂电位和丰富的储量而受到广泛的关注。然而，它的缺点限制了它的进一步应用，例如在充放电中高达300％的体积膨胀以及由此带来的脱落、粉化问题，还有其较差的导电性。这些问题使得二氧化锡电极的比容量衰减迅速，特别是在较大电流下的倍率性能，以及循环稳定性都较差，不能作为理想的锂离子电容器负极材料。但是，MXene的机械强度及二维特性可以缓解二氧化锡的体积膨胀，同时提高材料整体导电性，因此，将二氧化锡与MXene复合制备良好的负极材料是一种重要策略。专利《颗粒状二氧化锡/二维纳米碳化钛复合材料及应用》研究表明，将氢氟酸刻蚀得到的多层管风琴状MXene与五水合氯化锡作为原料，通过水热反应可以得到二氧化锡负载的SnO2/MXene复合材料，其比容量有较大提高。然而，MXene在水热条件下很容易被氧化成二氧化钛导致结构的破坏，极大损害了其导电性及结构强度，使良好的电化学性能难以实现。而且SnO2/MXene负极的倍率性能及长循环下的容量保持率仍然需要提高，限制了它的实际应用。另外，专利《一种富含氧空位的二氧化锡量子点/二维纳米碳化钛复合材料的制备方法及应用》同样通过溶剂热反应制备了一种量子点型SnO2/MXene复合材料，并用于锂离子电容器负极，取得了增强的比容量和循环稳定性。但溶剂热反应中高压、高温伴随有水、氧气存在的反应条件显然对MXene结构的保持和原本出色性能的发挥是不利的，在此过程中MXene同样容易氧化分解。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的首要目的在于提供一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料及其制备方法。该方法避免了易使MXene氧化的高温含水含氧的合成条件，通过简单可控的静电自组装合成SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料，具有比容量高、倍率性能优异、循环稳定性好的特点。
本发明的另一目的在于提供上述静电自组装的SnO2@NDPC/MXene复合材料作为锂离子电池LIBs及锂离子电容器LICs负极材料的应用，具有很好的应用前景。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料，具有特殊组成和结构。所述纳米复合材料为0.5μm～2μm横向尺寸的MXene纳米片层紧密包裹纳米SnO2填充的氮掺杂多孔碳NDPC的多级孔结构。其中，NDPC的比表面积为1777～2137m2/g，总孔体积为1.40～1.58m3/g，且主孔径主要分布在2～5nm；SnO2的含量为31～53wt％，粒径为4～6nm。
一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)利用氟化锂在酸性溶液中将Ti3AlC2陶瓷粉末进行化学刻蚀，再以去离子水为溶剂超声剥离得到单层MXene水分散液；
(2)将尿素、无水氯化锌及氯化钾混合形成深度低共熔溶剂，再在深度低共熔溶剂中加入椰壳作为碳源，然后煅烧得到NDPC材料；
(3)将步骤(2)中所得NDPC材料用丙酮分散，加入SnCl2水溶液，磁力搅拌至溶剂自然挥发后，真空干燥后进行煅烧得到纳米SnO2填充的氮掺杂多孔碳SnO2@NDPC粉末；
(4)将步骤(1)中所得单层MXene水分散液与步骤(3)中所得SnO2@NDPC粉末在水溶液中超声混合，随后进行静电自组装，然后倒掉上层清液并将得到的固体冷冻干燥，最后得到所述SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。
进一步地，步骤(1)所述化学刻蚀方法具体按以下步骤：将3.2g氟化锂加入30～50mL的36wt％盐酸中磁力搅拌形成刻蚀溶液，再加入2g Ti3AlC2陶瓷粉末，室温下磁力搅拌24h～72h进行刻蚀；收集刻蚀产物，反复用去离子水离心洗涤至pH为5～6之间；将离心洗涤后的固体用100～200mL去离子水重新分散，通氩气条件下冰水浴超声剥离1～3h，收集上层暗黑色溶液得到浓度为0.5mg/mL～2mg/mL的单层MXene水分散液。
优选的，步骤(1)所述Ti3AlC2陶瓷粉末纯度为99.9％，粒径为300～500目，更优选为400目。
优选的，步骤(1)所述搅拌时间为48h；重新分散时去离子水的用量为150mL；氩气保护下冰水浴超声剥离时间为2h；收集的单层MXene水分散液浓度约为1mg/mL。
进一步地，步骤(2)所述尿素、无水氯化锌、氯化钾、椰壳的质量比为4:6:1:1～4:6:1:3。
优选的，步骤(2)所述尿素、无水氯化锌、氯化钾、椰壳的质量比为4:6:1:2。
进一步地，步骤(2)所述煅烧温度为700～900℃，煅烧气氛为氮气/氩气，煅烧时间为1～3h。
优选的，步骤(2)所述煅烧温度为800℃，煅烧气氛为氮气；煅烧时间为2h。
进一步地，步骤(3)中，NDPC材料与丙酮的质量体积比为0.25g/mL～1g/mL；配制SnCl2水溶液时，SnCl2的浓度为1.0g/mL；制备SnO2@NDPC时，SnCl2水溶液的加入量为400～1200μL。
优选的，步骤(3)中，NDPC材料与丙酮的质量体积比为0.5g/mL，SnCl2水溶液的加入量为800μL。
进一步地，步骤(3)所述真空干燥的温度为70～90℃，真空干燥的时间为8～12h。
优选的，步骤(3)所述真空干燥的温度为80℃，真空干燥的时间为10h。
进一步地，步骤(3)所述煅烧的温度为260～300℃，煅烧的气氛为氮气，升温速率为0.5～2℃/min，煅烧时间为1～3h。
优选的，步骤(3)所述煅烧的温度为280℃，煅烧的气氛为氮气，升温速率为1℃/min，煅烧时间为2h。
进一步地，步骤(4)中，单层MXene水分散液和SnO2@NDPC粉末的质量比为1:10～4:10。
优选的，步骤(4)中，单层MXene水分散液和SnO2@NDPC粉末的质量比为2:10。
进一步地，步骤(4)所述超声时间为10～30min；自组装时间为5～15min。
优选的，步骤(4)所述超声时间为20min；自组装时间为10min。
进一步地，步骤(4)所述冷冻干燥的温度为-30～-50℃，冷冻干燥的时间为12h～36h。
优选的，步骤(4)所述冷冻干燥的温度为-40℃，冷冻干燥的时间为24h。
本发明还提供了一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料在锂离子电池(LIBs)和锂离子电容器(LICs)中的应用。
本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供了一种独特的静电自组装方法，该方法避免了易使MXene氧化的高温含水含氧的合成条件，由于带相反电荷，将制备的SnO2@NDPC和MXene纳米片在液相中混合即可自发地进行均匀组装，该方法简单、易操作。
(2)本发明提供的制备方法中，以氮掺杂多孔碳(NDPC)为基体在其分级孔结构中均匀填充了约5nm粒径的SnO2颗粒。大量填充的SnO2颗粒为复合材料提供了较大的比容量，同时由于被限制在碳孔内，充放电过程中其体积膨胀也被缓解，提高了复合材料的循环稳定性。
(3)本发明提供的制备方法中，得到了单层MXene纳米片紧密包裹住SnO2@NDPC基底的结构。结构完好的MXene纳米片可以进一步缓解SnO2的体积膨胀，提高复合材料的整体导电性，同时加快锂离子迁移速率，提高反应动力学，进一步提高了所制备复合材料的循环稳定性和倍率性能。另一方面，被包裹在MXene内的SnO2@NDPC基底可以很好地抑制MXene纳米片的重新堆叠，有利于MXene表面活性位点的暴露。
(4)采用本发明所制备的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料作为锂离子电池负极组装半电池，在2A·g-1条件下，循环500圈，比容量保持在465mAh·g-1，其容量保持率为90.2％，具有良好的循环稳定性。其在10A·g-1的大电流密度下，仍能表现出300mAh·g-1的比容量，具有优异的倍率性能。以富氮活性炭作为正极，SnO2@NDPC/MXene作为负极组装锂离子电容器时，在6097W·kg-1的高功率密度下，其能量密度仍高达55.9Wh·kg-1，表现出很好的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的XRD图。
图2为本发明实施例1所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的透射电镜图。
图3为本发明实施例1制备得到的MXene纳米片的扫描电镜图。
图4为本发明实施例1所得NDPC及SnO2@NDPC的氮气吸脱附曲线图。
图5为本发明实施例1制备得到的SnO2@NDPC和MXene纳米片的zeta电位图。
图6为本发明实施例1所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的倍率性能图。
图7为本发明实施例1所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图。
图8为本发明实施例1所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料所组装锂离子电容器的能量密度-功率密度关系曲线图。
图9为本发明实施例1所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料所组装锂离子电容器在2A·g-1电流密度下的长循环性能图。
图10为本发明实施例2所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图。
图11为本发明实施例3所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图。
图12为本发明实施例4所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图。
图13为本发明实施例5所得静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)将3.2g氟化锂加入40mL的36wt％盐酸中磁力搅拌形成刻蚀溶液，再加入2g粒径为400目的Ti3AlC2陶瓷粉末，室温下磁力搅拌48h进行刻蚀；收集刻蚀产物，反复用去离子水离心洗涤至pH为5～6之间；将离心洗涤后的固体用150mL去离子水重新分散，通氩气条件下冰水浴下超声剥离2h，收集上层暗黑色溶液得到浓度约为1mg/mL的单层MXene水分散液。
(2)将4g尿素、6g无水氯化锌及1g氯化钾混合形成深度低共熔溶剂，加入2g椰壳作为碳源，在氮气气氛下800℃煅烧2h得到氮掺杂多孔碳(NDPC)。
(3)将1g步骤(2)所得NDPC用2mL丙酮分散，加入800μL的1.0g/mLSnCl2水溶液，磁力搅拌至溶剂自然挥发后，80℃真空干燥10h，氮气气氛下以1℃/min的升温速率在280℃下煅烧2h得到纳米二氧化锡填充的氮掺杂多孔碳(SnO2@NDPC)粉末。
(4)将10mL步骤(1)所得1mg/mL单层Mxene水分散液与50mg步骤(3)所得SnO2@NDPC粉末在水溶液中超声混合20min，随后自组装10min，倒去上层清液并将得到的固体-40℃冷冻干燥24h得到SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。
实施例1制备得到的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的XRD图如图1所示。复合材料的XRD图谱出现SnO2和MXene(Ti3C2)的明显衍射峰，同时没有二氧化钛的衍射峰出现，表明MXene在没有被氧化的情况下成功复合。
实施例1制备得到的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的透射电镜图如图2所示。可以看到MXene纳米片包裹住SnO2@NDPC颗粒，且SnO2的粒径约为5nm。
图3是实施例1制备得到的MXene纳米片的扫描电镜图，从图中可以看出超薄的单层MXene纳米片具有0.5μm～2μm的横向尺寸。
图4是实施例1所制备的NDPC及SnO2@NDPC的氮气吸脱附曲线图，NDPC的氮气吸脱附曲线表现出微孔和介孔的特征，分别经BET和DFT方法计算，NDPC的比表面积为2137m2/g，总孔体积为1.58m3/g。较大的比表面积及孔容以及多级孔结构为SnO2的填充提供了良好的条件。SnO2@NDPC的氮气吸脱附曲线表现出大量减小的比表面积及总孔体积，辅助证明了SnO2的填充。
实施例1制备得到的SnO2@NDPC和MXene纳米片的zeta电位图如图5所示，可以看到SnO2@NDPC和MXene纳米片分别带有+44mV和-62mV的zeta电位，由于静电作用，MXene纳米片能在水溶液中自发包裹SnO2@NDPC，实现静电自组装。
以实施例1所制得的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料作工作电极，以金属锂片为对电极和参比电极，以采用体积比为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯为溶剂的1mol/LLiPF6溶液为电解质，以Celgard 2500为隔膜装配CR2025型纽扣电池进行测试。图6为该复合材料的倍率性能图，在0.1A·g-1的电流密度下得到865mAh·g-1的比容量，当电流密度增大到2A·g-1时，得到496mAh·g-1的比容量，容量保持率为57.3％，且在10Ag-1的大电流密度下，仍能表现出300mAh g-1的比容量，具有优异的倍率性能。图7为该复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图，循环500圈后，该材料比容量为465mAh·g-1，容量保持率为90.2％，库伦效率为100％，表明该复合材料具有优异的循环稳定性。
以实施例1所制得的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料作负极，以富氮活性炭(制备方法参照Carbon 2020,161,25-35)作正极，以采用体积比为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯为溶剂的1mol/L LiPF6溶液为电解质，以Celgard 2500为隔膜，封装在CR2025型纽扣电池中，组装成锂离子电容器进行测试。该锂离子电容器的能量密度-功率密度关系图如图8所示，在功率密度为61.2W·kg-1下，其能量密度高达135.3Wh·kg-1；在更高功率密度6097W·kg-1下，其能量密度仍然高达55.9Wh·kg-1。在2A·g-1电流密度下对该锂离子电容器进行循环稳定性测试，结果如图9所示，循环3000圈后，容量保持率为96.7％，说明此装置有杰出的循环稳定性。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
(1)将3.2g氟化锂加入30mL的36wt％盐酸中磁力搅拌形成刻蚀溶液，再加入2g粒径为400目的Ti3AlC2陶瓷粉末，室温下磁力搅拌24h进行刻蚀；收集刻蚀产物，反复用去离子水离心洗涤至pH为5～6之间；将离心洗涤后的固体用200mL去离子水重新分散，通氩气条件下冰水浴下超声剥离1h，收集上层暗黑色溶液得到浓度约为0.5mg/mL的单层MXene水分散液。
(2)将4g尿素、6g无水氯化锌及1g氯化钾混合形成深度低共熔溶剂，加入2g椰壳作为碳源，在氩气气氛下700℃煅烧3h得到氮掺杂多孔碳(NDPC)。
(3)将1g步骤(2)中所得NDPC用1mL丙酮分散，加入400μL的1.0g/mLSnCl2水溶液，磁力搅拌至溶剂自然挥发后，70℃真空干燥12h，氮气气氛下以1℃/min的升温速率在280℃下煅烧1h得到纳米二氧化锡填充的氮掺杂多孔碳(SnO2@NDPC)粉末。
(4)将20mL步骤(1)所得0.5mg/mL单层Mxene水分散液与50mg步骤(3)所得SnO2@NDPC粉末在水溶液中超声混合30min，随后自组装5min，倒去上层清液并将得到的固体-50℃冷冻干燥12h得到SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。
以实施例2所制得的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料作工作电极，以金属锂片为对电极和参比电极，以采用体积比为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯为溶剂的1mol/LLiPF6溶液为电解质，以Celgard 2500为隔膜装配CR2025型纽扣电池进行测试。图10为该复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图，循环500圈后，该材料比容量为389mAh·g-1。容量保持率为93.0％，库伦效率为99.4％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
(1)将3.2g氟化锂加入50mL的36wt％盐酸中磁力搅拌形成刻蚀溶液，再加入2g粒径为300目的Ti3AlC2陶瓷粉末，室温下磁力搅拌48h进行刻蚀；收集刻蚀产物，反复用去离子水离心洗涤至pH为5～6之间；将离心洗涤后的固体用150mL去离子水重新分散，通氩气条件下冰水浴下超声剥离3h，收集上层暗黑色溶液得到浓度约为1mg/mL的单层MXene水分散液。
(2)将4g尿素、6g无水氯化锌及1g氯化钾混合形成深度低共熔溶剂，加入3g椰壳作为碳源，在氮气气氛下900℃煅烧1h得到氮掺杂多孔碳(NDPC)。
(3)将1g步骤(2)中所得NDPC用4mL丙酮分散，加入1200μL的1.0g/mL SnCl2水溶液，磁力搅拌至溶剂自然挥发后，90℃真空干燥8h，氮气气氛下以0.5℃/min的升温速率在260℃下煅烧3h得到纳米二氧化锡填充的氮掺杂多孔碳(SnO2@NDPC)粉末。
(4)将5mL步骤(1)所得1mg/mL单层Mxene水分散液与50mg步骤(3)所得SnO2@NDPC粉末在水溶液中超声混合10min，随后自组装15min，倒去上层清液并将得到的固体-30℃冷冻干燥36h得到SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。
以实施例3所制得的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料作工作电极，以金属锂片为对电极和参比电极，以采用体积比为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯为溶剂的1mol/LLiPF6溶液为电解质，以Celgard 2500为隔膜装配CR2025型纽扣电池进行测试。图11为该复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图，循环500圈后，该材料比容量为391mAh·g-1。容量保持率为82.1％，库伦效率为99.6％。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
(1)将3.2g氟化锂加入40mL的36wt％盐酸中磁力搅拌形成刻蚀溶液，再加入2g粒径为500目的Ti3AlC2陶瓷粉末，室温下磁力搅拌48h进行刻蚀；收集刻蚀产物，反复用去离子水离心洗涤至pH为5～6之间；将离心洗涤后的固体用150mL去离子水重新分散，通氩气条件下冰水浴下超声剥离1h，收集上层暗黑色溶液得到浓度约为1mg/mL的单层MXene水分散液。
(2)将4g尿素、6g无水氯化锌及1g氯化钾混合形成深度低共熔溶剂，加入2g椰壳作为碳源，在氮气气氛下800℃煅烧2h得到氮掺杂多孔碳(NDPC)。
(3)将1g步骤(2)中所得NDPC用4mL丙酮分散，加入800μL的1.0g/mLSnCl2水溶液，磁力搅拌至溶剂自然挥发后，80℃真空干燥12h，氮气气氛下以1℃/min的升温速率在280℃下煅烧2h得到纳米二氧化锡填充的氮掺杂多孔碳(SnO2@NDPC)粉末。
(4)将20mL步骤(1)所得1mg/mL单层Mxene水分散液与50mg步骤(3)所得SnO2@NDPC粉末在水溶液中超声混合30min，随后自组装5min，倒去上层清液并将得到的固体-50℃冷冻干燥24h得到SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。
以实施例4所制得的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料作工作电极，以金属锂片为对电极和参比电极，以采用体积比为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯为溶剂的1mol/LLiPF6溶液为电解质，以Celgard 2500为隔膜装配CR2025型纽扣电池进行测试。图12为该复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图，循环500圈后，该材料比容量为406mAh·g-1。容量保持率为90.6％，库伦效率为99.5％。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
(1)将3.2g氟化锂加入40mL的36wt％盐酸中磁力搅拌形成刻蚀溶液，再加入2g粒径为400目的Ti3AlC2陶瓷粉末，室温下磁力搅拌48h进行刻蚀；收集刻蚀产物，反复用去离子水离心洗涤至pH为5～6之间；将离心洗涤后的固体用150mL去离子水重新分散，通氩气条件下冰水浴下超声剥离2h，收集上层暗黑色溶液得到浓度约为1mg/mL的单层MXene水分散液。
(2)将4g尿素、6g无水氯化锌及1g氯化钾混合形成深度低共熔溶剂，加入1g椰壳作为碳源，在氮气气氛下700℃煅烧2h得到氮掺杂多孔碳(NDPC)。
(3)将1g步骤(2)中所得NDPC用2mL丙酮分散，加入400μL的1.0g/mLSnCl2水溶液，磁力搅拌至溶剂自然挥发后，80℃真空干燥12h，氮气气氛下以2℃/min的升温速率在300℃下煅烧1h得到纳米二氧化锡填充的氮掺杂多孔碳(SnO2@NDPC)粉末。
(4)将20mL步骤(1)所得1mg/mL单层Mxene水分散液与50mg步骤(3)所得SnO2@NDPC粉末在水溶液中超声混合10min，随后自组装10min，倒去上层清液并将得到的固体-40℃冷冻干燥24h得到SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。
以实施例5所制得的静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料作工作电极，以金属锂片为对电极和参比电极，以采用体积比为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯为溶剂的1mol/LLiPF6溶液为电解质，以Celgard 2500为隔膜装配CR2025型纽扣电池进行测试。图13为该复合材料在2A·g-1电流密度下的长循环性能图，循环500圈后，该材料比容量为330mAh·g-1。容量保持率为88.7％，库伦效率为99.7％。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料为0.5～2μm横向尺寸的MXene纳米片层紧密包裹纳米SnO2填充的氮掺杂多孔碳NDPC的多级孔结构；其中，SnO2的含量为31～53wt％，粒径为4～6nm；NDPC的比表面积为1777～2137m2/g，总孔体积为1.40～1.58m3/g，且主孔径主要分布在2～5nm。
2.权利要求1所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用氟化锂在酸性溶液中将Ti3AlC2陶瓷粉末进行化学刻蚀，再以去离子水为溶剂超声剥离得到单层MXene水分散液；所述单层MXene水分散液的浓度为0.5～2mg/mL；
(2)将尿素、无水氯化锌及氯化钾混合形成深度低共熔溶剂，再在深度低共熔溶剂中加入椰壳作为碳源，然后煅烧得到NDPC材料；
(3)将步骤(2)中所得NDPC材料用丙酮分散，加入SnCl2水溶液，磁力搅拌至溶剂自然挥发后，真空干燥后进行煅烧得到纳米SnO2填充的氮掺杂多孔碳SnO2@NDPC粉末；
(4)将步骤(1)中所得单层MXene水分散液与步骤(3)中所得SnO2@NDPC粉末在水溶液中超声混合，随后进行静电自组装，然后倒掉上层清液并将得到的固体冷冻干燥，最后得到所述SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述尿素、无水氯化锌、氯化钾、椰壳的质量比为4:6:1:1～4:6:1:3。
4.根据权利要求2所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述煅烧的温度为700～900℃，煅烧气氛为氮气/氩气，煅烧时间为1～3h。
5.根据权利要求2所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，NDPC材料与丙酮的质量体积比为0.25g/mL～1.00g/mL；SnCl2水溶液加入量为400～1200μL。
6.根据权利要求2所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述真空干燥的温度为70～90℃，真空干燥的时间为8～12h；步骤(3)所述煅烧的温度为260～300℃，煅烧的气氛为氮气，升温速率为0.5～2℃/min，煅烧时间为1～3h。
7.根据权利要求2所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述单层MXene水分散液和SnO2@NDPC粉末的质量比为1:10～4:10。
8.根据权利要求2所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述超声时间为10～30min；步骤(4)所述自组装时间为5～15min。
9.根据权利要求2所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述冷冻干燥的温度为-30～-50℃，冷冻干燥的时间为12h～36h。
10.权利要求1所述的一种静电自组装SnO2@NDPC/MXene纳米复合材料在锂离子电池和锂离子电容器中的应用。
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CN117641872A (zh) * 2023-11-27 2024-03-01 山东省地质科学研究院 中空二氧化锰纳米管负载MXene材料及制备方法

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