一种通过真空抽滤制备MXene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜及其制备方法和应用

一种通过真空抽滤制备mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于超级电容器领域，具体涉及一种通过真空抽滤制备mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜及其制备方法和应用。


背景技术：

2.超级电容器，也称电化学电容器，是一种介于常规电容器与化学电池之间的新型储能器件。超级电容器作为传统电容器的升级版，拥有更高的电容量、更高的功率密度、高功率充放电能力以及长循环使用寿命，吸引了各行各业的关注。传统的超级电容器因柔性差、安全性低等问题无法满足可穿戴电子产品的需求。基于此，固态柔性超级电容器应运而生，以其独特的柔性、延展性和高安全性等特点引起了众多学者的关注。
3.电极材料作为超级电容器的核心组成部分之一，其性能直接决定了器件的整体性能。自石墨烯材料被发现以来，二维纳米材料因其独特的性能而受到广泛关注，它们包括石墨烯、过渡金属二卤族化合物、过渡金属氧化物/氢氧化物和mxene，其相关应用和研究也在不断增多。mxene作为一种新兴的2d材料，通常用m
n+1
xnt
x
的公式表示，其中m为过渡金属，x为碳/氮(n＝1-3)，t代表表面官能团，如-oh、-f或-o，这些官能团具有良好的亲水性。
4.mxene作为电极材料，由于其优异的表面亲水性、金属导电性和具有可调功能的金属氧化物/氢氧化物的氧化还原性能，表现出了高倍率性能、高比电容、良好的循环稳定性。碳化钛在使用前需要预处理，它的前体为ti3alc2，通常用hf形成的或含hf的蚀刻剂从ti3alc2中选择性地去除铝，从而合成需要的碳化钛。目前，越来越多的研究人员将研究重点转向碳化钛的复合材料，尝试将碳化钛与其它电容材料结合，得到性能更优异的电极材料。但是，mxene在制备过程中，相邻的ti3c2t
x
纳米片不可避免地会通过范德华相互作用堆积，这严重降低了材料的比表面积和电化学性能。故解决mxene的堆叠问题对于二维电容器的研究十分重要。


技术实现要素：

5.本发明主要为减弱mxene材料层层堆积的问题，为其增加更多电化学储能位点。提供了一种通过抽滤方式来制备mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜的方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明采取了以下的技术方案：
7.本发明中一种通过真空抽滤制备mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜的方法是按以下步骤进行的：
8.步骤一、将max相在刻蚀剂中搅拌，离心洗涤得到mxene溶液；
9.步骤二、将碳纳米管和木质素磺酸钠分别超声分散均匀，一同与步骤一得到的mxene溶液混合，再次超声混合均匀，然后真空抽滤处理，得到所述复合柔性储能薄膜。
10.进一步地限定，步骤一中，所述max相为ti3alc2。
11.进一步地限定，步骤一中，用氟化锂与盐酸作为刻蚀剂。
12.进一步地限定，步骤二中，所述碳纳米管和木质素磺酸钠的总质量与mxene的质量比为1：(2～3)，碳纳米管和木质素磺酸钠的质量比为2：(5～10)。
13.进一步地限定，步骤二中，所述碳纳米管为带羧基官能团的多壁碳纳米管。
14.进一步地限定，步骤三中，真空抽滤处理时间至少3小时。
15.上述方法制备的mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜。
16.上述方法制备的mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜用作超级电容器电极材料。
17.本发明对于mxene的性能进行了改良，从扫描电镜可以看出有效解决了mxene的层层堆积问题，同时增强了mxene的储能性能。找到mxene、碳纳米管、木质素磺酸钠三者复合的最佳比例，发现最优异的性能。同时此制备方法具有非常好的重复性，可以为其他二维材料薄膜的制备起到很好的借鉴作用，具体优点如下：
18.(1)制备简便，通过一步真空抽滤制备出柔性复合薄膜。
19.(2)自支撑、无粘结剂，有效地提高了活性物质的利用率。
20.(3)木质素磺酸盐和mxene被构建成紧凑的mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠薄膜，木质素磺酸盐的p-π共轭结构赋予α、β羰基一个强的化学活性和局部正电势，可以修饰mxene的表面，避免了碳化钛的重堆积问题，同时提高了其电化学活性。而碳纳米管的加入既能抑制mxene堆积又能提高导电性，加快电子的转移。
21.为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考和说明之用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
22.图1为实施例1制备mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜的照片；
23.图2为实施例1的mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜扫描电镜图像。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
25.实施例1：本实施例的一种通过真空抽滤方法制备mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜的方法按以下步骤进行：
26.步骤一、将1.56g的lif与20ml的hcl溶液(12mol/l)混合，并搅拌5min，充分溶解。然后加入1g的前驱体原材料ti3alc2，38℃下搅拌48h，得到酸性混合溶液。将此溶液用去离子水反复离心洗涤(8000rmp/min)5min、倾倒；再用hcl溶液(1mol/l)离心洗涤(8000rmp/min)，倾倒，重复三次，每次5min；称量3.815g的licl，溶解于90ml去离子水中，用该溶液继续离心洗涤(8000rmp/min)，倾倒三次，每次5min；再用去离子水反复离心洗涤(8000rmp/min)，每次5min，至上清液呈现墨绿色，用去离子水继续离心洗涤(5000rmp/min)三次，每次5min，收集溶液于锥形瓶中，得到mxene(ti3c2t
x
)溶液。
27.步骤二、根据ti3c2t
x
的浓度，称取一定质量的ti3c2t
x
溶液，使得ti3c2t
x
最终质量为22mg；分别称取2mg碳纳米管和5mg木质素磺酸钠，将二者分别置于两个烧杯中，40khz超声处理30分钟，待结束后将二者与mxene混合，再次40khz超声处理30分钟，制得mxene/碳纳米
管/木质素磺酸钠混合溶液。
28.步骤三、将步骤二制得的mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠混合溶液进行真空抽滤成薄膜，得到mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜。
29.由图1可知，mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜的外在形貌；由图2可知，碳纳米管和木质素磺酸钠的加入有效解决了ti3c2的层层堆积问题。
30.通过电化学工作站对制备出的电极进行循环伏安，恒流充放电，阻抗和循环等性能测试，测定该电容器的面积比电容达到370.64mf
·
cm-2
，相比纯mxene提升26.5％，同时保留率较纯mxene提升124％。通过xrd，扫描电镜，raman、透射电镜和xps等测试对其形貌结构进行表征与分析，发现碳纳米管和木质素磺酸钠的加入，有效改善了mxene的片层堆积问题，为电荷通过提供了更多的通道。

技术特征：
1.一种通过真空抽滤制备mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜的方法，其特征在于，所述方法是按以下步骤进行的：步骤一、将max相在刻蚀剂中搅拌，离心洗涤得到mxene溶液；步骤二、将碳纳米管和木质素磺酸钠分别超声分散均匀，一同与步骤一得到的mxene溶液混合，再次超声混合均匀，然后真空抽滤处理，得到所述复合柔性储能薄膜。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一中，所述max相为ti3alc2。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一中，用氟化锂与盐酸作为刻蚀剂。4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤二中，所述碳纳米管和木质素磺酸钠的总质量与mxene的质量比为1：(2～3)，碳纳米管和木质素磺酸钠的质量比为2：(5～10)。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤二中，所述碳纳米管为带羧基官能团的多壁碳纳米管。6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤三中，真空抽滤处理时间至少3小时。7.一种权利要求1-6任意一项所述方法制备的mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜。8.一种权利要求1-6任意一项所述方法制备的mxene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜用作超级电容器电极材料。

技术总结
本发明公开了一种通过真空抽滤制备MXene/碳纳米管/木质素磺酸钠复合柔性薄膜及其制备方法和应用，属于超级电容器技术领域。本发明解决现有MXene制备过程中，相邻的Ti3C2T


技术研发人员：冯伟 关浩然 张家圣 邵智韬
受保护的技术使用者：东北林业大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/18