CN116040595A - 过渡金属磷化物/C/MXene复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种过渡金属磷化物(TMPs)/C/MXene复合材料的制备方法,其通过离子静电互扩散技术,实现在MXene表面原位生长二维MOF纳米层,从而获得千层饼结构的MOF/MXene,最后通过磷化热处理得到TMPs/C/MXene复合材料。本发明中,二维MOFs层覆盖在纳米MXene表面或嵌入MXene层间,磷化后实现了TMPs与MXene的高效传质传电,保证了复合材料结构稳定,延长了钠离子电池使用寿命。

Description

过渡金属磷化物/C/MXene复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料合成及能源技术领域,具体涉及一种千层饼结构的过渡金属磷化物/C/MXene复合材料的制备方法。
背景技术
由于钠资源丰富且分布广泛,因此钠离子电池的预期生产成本较锂离子电池更低。目前钠离子电池仍处于前期发展阶段,其结构组成与锂离子电池相似,但负极材料无法使用锂电所用的石墨。因此,探索高性能的负极材料是钠离子电池发展的重要课题。过渡金属磷化物(TMPs)具有超高的可逆容量、不错的电子传递率和倍率性能等优点,是值得深入研究的新型钠离子电池负极材料。但是此类材料储能过程会出现明显的体积膨胀,且倍率性能较低,上述问题限制了过渡金属磷化物作为负极材料的应用。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足,提供一种钠离子电池用TMPs/C/MXene复合负极材料制备方法。
为实现上述目的,本发明提供的一种用于钠离子电池的TMPs/C/MXene复合负极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将有机配体溶于有机混合溶剂中得到溶液A;
将分层MXene和活性剂加入有机混合溶剂得到溶液B;
将过渡金属盐溶解于有机混合溶剂中得到溶液C;
其中,所述有机配体含有羟基和/或-O的官能团,使其能在氢键作用下锚定在MXene表面;
在试管底部加入溶液A,再加入一定量的溶液B于试管中层,最后缓慢加入溶液C于试管上层;
将装有分层溶液的试管置于10~90℃恒温环境中,利用离子静电吸附和互扩散作用,静置反应2~24小时,待分层消失后,获得二维MOFs层覆盖在纳米MXene表面和/或二维MOFs层嵌入MXene层间的前驱体;
(2)在氮气气氛下,将MOF/MXene前驱体与次亚磷酸氢钠混合煅烧,煅烧温度200~400℃,即可得到用于钠离子电池的千层饼结构的过渡金属磷化物/C/MXene复合负极材料。
优选地,步骤(1)中所述有机配体包括对苯二甲酸、均苯三甲酸、环己烷二甲酸、1,4-萘二甲酸、2,6-吡啶二羧酸、2-吡啶甲酸中的一种或多种。
优选地,步骤(1)中所述有机混合溶剂由乙醇、甲醇、乙腈、丁腈、苯、DMF、二甲基甲酰胺、正己烷、丙酮、二甲基亚砜、环戊基甲醚中的至少两种组成,溶液A与溶液B的体积比是1:(0.1~1),溶液A与溶液C的体积比是1:(0.5~5)。
优选地,步骤(1)中所述活性剂包括十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、F127、聚二烯丙基二甲基氯化铵、柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
优选地,步骤(1)中过渡金属盐包括Fe、Ni、Co、Zn、Mn、Cu几种元素的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐、乙酰丙酮盐、醋酸盐中的一种或几种,过渡金属盐与有机配体的质量比为1:(0.1~10),过渡金属盐与活性剂的质量比为1:(0.5~50)。
优选地,步骤(1)中所用的MXene材料包括少层结构的Ti3C2、Ti2C、Nb2C、V2C、Mo2C中的一种或多种,过渡金属盐与MXene材料的质量比是1:(0.005~1)。
优选地,步骤(2)中前驱体与次亚磷酸氢钠的质量比为1:(5~20),煅烧条件为:升温速率1~10℃/min,煅烧时间为1~5h。
优选地,步骤(1)中得到的二维MOFs层的厚度为20~150nm,MOFs与MXene的堆叠层数为2~10层,前驱体厚度为50~800nm。
优选地,步骤(2)中得到的过渡金属磷化物/C/MXene复合负极材料厚度为50~800nm,碳含量为5~30wt.%,比表面积为50~400m2/g,孔洞直径为5~50nm。
优选地,步骤(2)中得到的过渡金属磷化物/C/MXene复合负极材料中过渡金属磷化物/C层厚度为20~150nm,过渡金属磷化物/C与MXene的堆叠层数为2~10层。
本发明的发明构思如下:
TMPs通过转化反应储存钠离子,具有较高的理论容量和较低的氧化还原电位,但TMPs的应用受限于循环稳定性差和倍率性能欠佳等问题。二维(2D)纳米材料能够提供较短的离子扩散路径和开放的电荷传输通道,有利于快速充放电,较高的比表面积使其表现出不错的赝电容性能,超薄的结构也能够有效缓解储钠膨胀效应。MXene是一类新型二维材料,由MAX相材料经HF(或LiF与浓HCl的混合溶液)等刻蚀剥离所得,经刻蚀的MXene材料带有-OH、-O、-F等表面官能团,典型的有Ti3C2、Ti2C、Nb2C、V2C、Mo2C等,刻蚀后的上层液可以收获分层的MXene材料。其用作钠离子电池负极材料时,具有导电性能好、钠离子扩散效率高的优点。但MXene片层的塌陷和再堆垛会降低导电率并限制电解液的浸润,阻碍MXene的活性位点的充分利用。在本发明中,将高比容量的金属磷化物与高导电性的MXene材料复合,将两种材料优势互补,获得高性能的钠离子电池负极材料。
针对过渡金属磷化物和MXene存在的储钠的缺点,本发明通过离子静电及互扩散作用,在MXene表面缓慢形成超薄二维MOFs(金属-有机框架材料)层。利用配体与MXene官能团形成氢键,实现MOF模板与MXene的自组装,在反应条件及活性剂的作用下,调节MOF/MXene的形貌和结构,最后通过磷化热处理得到球形TMPs/C/MXene复合材料。TMPs/C/MXene复合材料中,MXene具有一定的韧性,能够起到保护和桥连作用,从而增强了TMPs的电化学性能;TMPs则覆盖在MXene表面,避免了塌陷和再堆垛出现。
本发明所采用的技术方案与现有技术相比具有下列优点:
1、本发明设计了超薄纳米TMPs/C材料与MXene纳米片交替堆叠的千层饼结构,缓解磷化物储钠过程的体积膨胀,从而延长电池寿命。
2、超薄纳米TMPs/C层能够扩大MXene的层间距,避免MXene再堆叠等问题,从而提高复合材料的储钠容量。
3、MXene材料能够起到稳固和桥连TMPs/C纳米层的作用,减少磷化物与电解液间的副反应并增强电子的传输速度的作用,改进材料倍率性能,提高材料储钠稳定性。
3、本发明制备的TMPs/C/MXene复合负极材料具有较强的循环性能,在200mA/g的高电流密度下循环200周可逆容量可达350mAh/g以上。
附图说明
图1为实施例1中CoNiP/C/MXene复合负极材料的合成示意图。
图2为实施例1中CoNiP/C/MXene复合负极材料在200mA/g电流密度下的循环性能图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面通过具体实施方式对本发明进一步描述,但所列举的实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
一种用于钠离子电池的TMPs/C/MXene复合负极材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)将100mg对苯二甲酸溶于20ml甲醇和DMF的混合溶剂中得到溶液A;将200mg聚乙烯吡咯烷酮和5mg分层Ti3C2加入到15ml甲醇和DMF的混合溶剂中得到溶液B;将10mg醋酸钴和10mg醋酸镍溶解于20ml甲醇和DMF的混合溶剂中得到溶液C。在试管底部加入溶液A,再加入溶液B于试管中层,最后缓慢加入溶液C于试管上层。将装有分层溶液的试管置于60℃恒温环境中,静置反应12小时,待分层消失后,获得CoNi-MOF/Ti3C2前驱体。CoNi-MOF厚度约为40nm,MOFs与MXene的堆叠层数为4~8层,前驱体厚度为200~500nm。
(2)在氮气气氛下将30mg前驱体与160mg次亚磷酸氢钠混合煅烧,升温速率5℃/min,煅烧温度320℃,煅烧时间为3h,即可得到用于钠离子电池的千层饼结构的CoNiP/C/MXene复合负极材料。CoNiP/C/MXene复合材料厚度为160~480nm,碳含量为10wt.%,比表面积为341m2/g,孔洞直径为5~30nm。其中CoNiP/C层厚度约为36nm,CoNiP/C与MXene的堆叠层数为4~8层。
本实施例制备CoNiP/C/MXene材料的合成示意图如图1所示。
电化学性能测试:将所制得的电极材料复合材料与乙炔黑和羧甲基纤维素钠(CMC)按质量比8∶1∶1混合均匀,加入适量去离子水调至浆料,将浆料涂膜在铜箔上制得电极。此试验电极在真空烘箱中110℃干燥24h,再在高纯氩气氛手套箱中封装电池,电解液为NaPF6溶解于EC:DEC(体积比1:1)的混合液,以玻璃纤维滤纸为隔膜,金属钠为电池负极组装成CR2016型扣式电池。放充电条件:以相同的电流密度放电到0.02V后再充电到3V,选择的电流密度为200mA/g。对上述电池进行测试,测试结果如图2,循环200周后电极可逆容量保持在395.6mAh/g,说明CoNiP/C/MXene材料具有较好的容量保持率和循环稳定性。
实施例2
一种用于钠离子电池的TMPs/C/MXene复合负极材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)将100mg均苯三甲酸溶于30ml乙腈、丙酮和DMF的混合溶剂中得到溶液A;将250mg柠檬酸钠和10mg分层Ti2C加入到20ml乙腈、丙酮和DMF的混合溶剂中得到溶液B;将30mg乙酰丙酮镍溶解于60ml乙腈、丙酮和DMF的混合溶剂中得到溶液C。在试管底部加入溶液A,再加入溶液B于试管中层,最后缓慢加入溶液C于试管上层。将装有分层溶液的试管置于80℃恒温环境中,静置反应18小时,待分层消失后,获得Ni-MOF/Ti3C2前驱体。Ni-MOF厚度约为50nm,MOFs与MXene的堆叠层数为2~7层,前驱体厚度为100~300nm。
(2)在氮气气氛下将30mg前驱体与500mg次亚磷酸氢钠混合煅烧,升温速率3℃/min,煅烧温度280℃,煅烧时间为5h,即可得到用于钠离子电池的千层饼结构的NiP/C/MXene复合负极材料。NiP/C/MXene复合材料厚度为120~390nm,碳含量为15wt.%,比表面积为312m2/g,孔洞直径为5~50nm。其中NiP/C层厚度约为36nm,NiP/C与MXene的堆叠层数为2~7层。
电化学性能测试:本实施例的电化学测试与实施例1相同,可逆容量保持在360.2mAh/g,说明NiP-C/MXene材料具有较好的容量保持率和循环稳定性
对比例
熔炼法制备钠离子电池用CoNiP材料,具体步骤如下:
(1)称取3g的钴粉、2.5g的镍粉、8g红磷,混合后倒入坩埚内。
(2)对步骤(1)坩埚进行煅烧处理。煅烧气氛为氮气,煅烧温度700℃,时间8h,待炉冷却得到CoNiP材料,研磨过400目筛。
电化学性能测试:本对比例的电化学性能测试与实施例1相同,CoNiP材料在200mA/g电流密度下循环200周的可逆容量为38.6mAh/g。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种过渡金属磷化物/C/MXene复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将有机配体溶于有机混合溶剂中得到溶液A;
将分层MXene和活性剂加入有机混合溶剂得到溶液B;
将过渡金属盐溶解于有机混合溶剂中得到溶液C;
其中,所述有机配体含有羟基和/或-O的官能团,使其能在氢键作用下锚定在MXene表面;
在试管底部加入溶液A,再加入一定量的溶液B于试管中层,最后缓慢加入溶液C于试管上层;
将装有分层溶液的试管置于10~90℃恒温环境中,利用离子静电吸附和互扩散作用,静置反应2~24小时,待分层消失后,获得二维MOFs层覆盖在纳米MXene表面和/或二维MOFs层嵌入MXene层间的前驱体;
(2)在氮气气氛下,将MOF/MXene前驱体与次亚磷酸氢钠混合煅烧,煅烧温度200~400℃,即可得到用于钠离子电池的千层饼结构的过渡金属磷化物/C/MXene复合负极材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述有机配体包括对苯二甲酸、均苯三甲酸、环己烷二甲酸、1,4-萘二甲酸、2,6-吡啶二羧酸、2-吡啶甲酸中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述有机混合溶剂由乙醇、甲醇、乙腈、丁腈、苯、DMF、二甲基甲酰胺、正己烷、丙酮、二甲基亚砜、环戊基甲醚中的至少两种组成,溶液A与溶液B的体积比是1:(0.1~1),溶液A与溶液C的体积比是1:(0.5~5)。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述活性剂包括十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、F127、聚二烯丙基二甲基氯化铵、柠檬酸钠、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中过渡金属盐包括Fe、Ni、Co、Zn、Mn、Cu几种元素的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐、乙酰丙酮盐、醋酸盐中的一种或几种,过渡金属盐与有机配体的质量比为1:(0.1~10),过渡金属盐与活性剂的质量比为1:(0.5~50)。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所用的MXene材料包括少层结构的Ti3C2、Ti2C、Nb2C、V2C、Mo2C中的一种或多种,过渡金属盐与MXene材料的质量比是1:(0.005~1)。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中前驱体与次亚磷酸氢钠的质量比为1:(5~20),煅烧条件为:升温速率1~10℃/min,煅烧时间为1~5h。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中得到的二维MOFs层的厚度为20~150nm,MOFs与MXene的堆叠层数为2~10层,前驱体厚度为50~800nm。
9.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中得到的过渡金属磷化物/C/MXene复合负极材料厚度为50~800nm,碳含量为5~30wt.%,比表面积为50~400m2/g,孔洞直径为5~50nm。
10.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中得到的过渡金属磷化物/C/MXene复合负极材料中过渡金属磷化物/C层厚度为20~150nm,过渡金属磷化物/C与MXene的堆叠层数为2~10层。
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