一种可用于锂离子电池负极的碳化钛纳米片/石墨烯复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米陶瓷材料合成与制备领域，具体涉及一种MXene复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]Ti3C2Tx作为一种新型的二维材料，其理论体积比电容远高于所有的碳材料，在锂离子电池方面极具应用前景。剥离后的Ti3C2Tx材料相比其多层结构能够储存更多的锂离子，但是由于制备过程中Ti3C2Tx片层产生堆垛的现象，限制了其储存锂离子的能力；制备过程中Ti3C2Tx^与水和腐蚀剂发生化学反应，使其表面存在官能团，严重影响了其导电性能，同样限制了其在锂离子电池方面的应用。目前只有Ti3C2Tx可以成功制备并进行电化学性能等测试，同Ti3AlC^比其储锂能力和体积比电容提高四倍之多，应用前景广阔。
[0003]石墨烯具有和Ti3C2T^似的二维层状结构，电子迀移率高达200000cm2V 1S \可用作储能材料，例如燃料电池，锂离子电池等。在石墨稀片层中插入O维、I维和2维纳米材料可有效降低石墨烯片的堆垛数量，进一步提高其锂离子存储能力。
[0004]通过在Ti3C2Tx片层中插入石墨烯，一方面增大Ti 3C2TX材料的片层间距，提高其储存锂离子的能力；另一方面提高碳化钛纳米片/石墨稀复合材料的导电性。进一步推动碳化钛纳米片/石墨烯复合材料在锂离子电池方面的应用前景。
[0005]目前，采用交替抽滤的方法制备出6-10层厚的三明治形状的Ti3C2Tx/石墨烯复合材料:首先将Ti3C2Tx的悬浮液通过真空辅助抽滤的方法抽滤到一张聚丙烯薄膜上，再在其基础上抽滤一层石墨稀，如此交替抽滤，得到6-10层的Ti3C2Tx/石墨稀复合材料；这种方法需要分别制备Ti3C2TjP石墨稀的悬浮液，相对来说工艺复杂，原料制备时间较长，且抽滤次数过多，失败可能性较大，因此效率较低。
【发明内容】
[0006]本发明目的是为了解决现有Ti3C2Tx/石墨烯复合材料的制备工艺复杂及效率低的问题，而提供一种可用于锂离子电池负极的碳化钛纳米片/石墨烯复合材料的制备方法。
[0007]—种可用于锂离子电池负极的碳化钛纳米片/石墨烯复合材料的制备方法，按以下步骤实现:
[0008]一、将T1、Al、C粉末按照摩尔比3: (1.1?1.3):2混匀后，在1400°C?1500°C下通过无压烧结合成Ti3AlC2相陶瓷，然后进行粉碎，得到Ti 3A1C2粉末；
[0009]二、将11#1(:2粉末放入浓度为20wt.%?50wt.%的氢氟酸中腐蚀4?24h，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，然后将沉淀物烘干，得到堆垛的层片状Ti3C2Tx粉体；
[0010]三、将堆垛的层片状Ti3C2Tx?体与有机溶剂按照质量比为1: (10?100)混合，然后进行离心处理，得到悬浮液；
[0011]四、取悬浮液的上清液，加入去离子水并超声震荡分散2?24h，烘干后得到片层状的Ti3C2Tx粉体；
[0012]五、将片层状的Ti3C2Tx粉体和氧化石墨烯同时加入到有机溶剂中，室温搅拌6?24h，然后进行抽滤，去除有机溶剂，再在80°C下烘干，即完成可用于锂离子电池负极的碳化钛纳米片/石墨烯复合材料的制备；
[0013]其中步骤二堆垛的层片状Ti3C2Tx粉体中T为腐蚀后粉末上形成的-F基团或-OH基团。
[0014]本发明具有以下有益效果:
[0015]1、本方法中可通过调节氢氟酸的浓度和腐蚀时间、Ti3C2TA石墨烯的质量比和搅拌时间、离心的时间和次数、超声波功率和振动时间等来提高碳化钛/石墨烯复合材料的性能，获得二维碳化钛/石墨烯片层。
[0016]2、本发明的制备方法只需要制备Ti3C2Tx粉体，采用氧化石墨烯作为原料，可以在市场上直接购买，不仅原料制备的周期相对较短，而且氧化石墨烯表面同样含有官能团，亲水性更好，更容易和Ti3C2Tx复合在一起；且抽滤只需要I次，效率高。
[0017]3、本发明制备的Ti3C2Tx粉体具有一种层片状的结构，这种结构类似于石墨烯，锂离子在层片之间会发生扩散，起到储存锂离子的作用，可应用于锂离子电池中做电极材料。同时在Ti3C2Tx*掺杂石墨烯不仅为了提高其导电性，还可以抑制团聚的发生，提高其电化学的性能(容量，充放电特性，循环性能，倍率特性)，扩大其在锂离子电池方面的应用范围。
[0018]4、本发明中惨杂石墨稀，能够有效增大Ti3C2Tx材料的片层间距，提尚了碳化钦纳米片/石墨稀复合材料的储锂性能，应用范围更广阔。
[0019]5、本方法由于采用抽滤法，更容易制备出混合均匀，性能优异的碳化钛纳米片/石墨烯复合材料，比Ti3C2TxM料性能更优异，且工艺简单、生产效率高，具有较强的推广和应用价值。
【附图说明】
[0020]图1是实施例1中浓度为30wt.%的氢氟酸中腐蚀4h的Ti3C2Tj^ SEM图；
[0021]图2是实施例2中浓度为30wt.%的氢氟酸中腐蚀12h的Ti3C2Tj^ SEM图。
【具体实施方式】
[0022]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0023]【具体实施方式】一:本实施方式可用于锂离子电池负极的碳化钛纳米片/石墨烯复合材料的制备方法，按以下步骤实现:
[0024]一、将T1、Al、C粉末按照摩尔比3: (1.1?1.3):2混匀后，在1400°C?1500°C下通过无压烧结合成Ti3AlC2相陶瓷，然后进行粉碎，得到Ti 3A1C2粉末；
[0025]二、将11#1(:2粉末放入浓度为20wt.%?50wt.%的氢氟酸中腐蚀4?24h，腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，然后将沉淀物烘干，得到堆垛的层片状Ti3C2Tx粉体；
[0026]三、将堆垛的层片状Ti3C2Tx?体与有机溶剂按照质量比为1: (10?100)混合，然后进行离心处理，得到悬浮液；
[0027]四、取悬浮液的上清液，加入去离子水并超声震荡分散2?24h，烘干后得到片层状的Ti3C2Tx粉体；
[0028]五、将片层状的Ti3C2Tx粉体和氧化石墨烯同时加入到有机溶剂中，室温搅拌6?24h，然后进行抽滤，去除有机溶剂，再在80°C下烘干，即完成可用于锂离子电池负极的碳化钛纳米片/石墨烯复合材料的制备；
[0029]其中步骤二堆垛的层片状Ti3C2Tx粉体中T为腐蚀后粉末上形成的-F基团或-OH基团。
[0030]本实施方式步骤二中将11#1(:2粉末放入浓度为20wt.%?50wt.%的氢氟酸中腐蚀4?24h，目的是使Ti3AlCjg中的Al被腐蚀掉。
[0031]本实施方式步骤二中腐蚀后溶液加入去离子水进行离心处理，目的是去除氢氟酸。
[0032]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是，步骤一中将T1、Al、C粉末按照摩尔比3:1.2:2混匀后，在1450°C下通过无压烧结合成Ti3AlCjg陶瓷。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0033]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是，步骤二中将113八1(:2粉末放入浓度为40wt.%的氢氟酸中腐蚀12h。其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0034]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是，步骤三中将堆垛的层片状!13(:21；粉体与有机溶剂按照质量比为1:20混合。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0035]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是，步骤二和步骤三中的离心速度均为10rpm?4000rpm、离心时间均为30min?120min、离心次数均为I?10次。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0036]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是，步骤四中加入去离子水并超声震荡分散12h。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0037]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是，步骤四中超声波功率为300W?600W、超声波频率为20?40KHz。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至六之一相同。
[0038]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一不同的是，步骤四悬浮液的上清液中有Ti3C2Tx,Ti3C2TA去离子水的质量比为1: (200?1000)。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0039]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一不同的是，步骤五中片层状的打3(:21；粉体和氧化石墨烯的总质量与有机溶剂的质量比为1: (10?100)。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至八之一相同。
[0040]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一至九之一不同的是，步骤五中室温搅拌12h。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至九之一相同。
[0041]【具体实施方式】^^一:本实施方式与【具体实施方