一种微流控原位合成MXene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维的制备方法与流程

一种微流控原位合成mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种微流控合成复合导电纤维的制备方法，更具体地涉及一种微流控原位合成mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合导电纤维的制备方法。


背景技术：

2.微流体学是研究尺度从一百纳米到数百微米的微通道中控制流体的装置和方法的科学技术。在过去的二十年里，微流体技术一直是人们关注的焦点，因为它具有化学消耗低、分析时间短、高通量、更好地控制质量和传热、将实验室缩小到一个芯片上的优点。mxene作为新兴的二维材料，不仅比表面积大，表面活性位点高，而且具有良好的亲水性，这更利mxene和其他材料复合。石墨是一种天然的二维材料，其化学稳定性好，耐高温，具有优异的导电性，广泛应用于催化材料和电池负极材料。氢氧化镍是一种花瓣状纳米材料，在各种金属氢氧化物中，氢氧化镍纳米片具有比表面积大、促进电子与空穴分离等优点。利用微流控技术将上述三种材料复合可得到具有高导电性、丰富氧化还原活性位点的mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维，因此在制备高性能储能纤维领域具有重要的应用前景。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种微流控原位合成mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维的制备方法，所制备的mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维具有组分可调、形貌可控、高导电性的优点。此制备方法具有简单高效、连续性强、过程可控和易于集成等优点。
4.本发明的技术方案为：利用三相微流控芯片作为微反应器，将mxene/石墨分散液浆料通入微通道中，在凝固浴中金属离子络合作用下形成纤维。后纤维在微通道内和氢氧化镍前驱体(镍源、铵源和碱源)分散液在加热条件下接触。在加热条件下，由于限域空间内高效的传质传热，微液滴中的镍源、铵源和碱源在mxene/石墨纤维表面快速反应生成氢氧化镍纳米片，得到mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维。在mxene/石墨纤维表面原位生长氢氧化镍纳米片可提高复合纤维的导电性、比表面积和氧化还原活性位点，使复合纤维具有更强的电荷储存能力。
5.本发明的微流控合成mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维的方法，具体包括以下步骤：采用光刻或软刻微加工技术建立微通道网络，或者建立一个多t形通道，该t形通道有四个通道口，其中两个通道口为凝固浴和前驱体入口，一个口为mxene/石墨浆料入口，还有一个口为出口，在出口处对微通道进行加热；
6.在微流控反应芯片左侧通道一通入mxene/石墨粉水相分散液浆料，在通道二通入凝固浴，mxene/石墨粉水相分散液浆料在金属离子的络合作用下形成纤维。在通道三通入镍源、铵源和碱源水溶液，形成的微液滴与前述纤维混合，在加热的条件下混合后的液滴内nh4+、ni2+与oh-在mxene/石墨纤维上原位生成氢氧化镍，得到mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维。将制备的mxene/石墨/氢氧化镍纳米片复合纤维，洗涤，干燥，得到目标产物。
7.本发明的微流控原位合成mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维的制备方法，其进一步的技术方案是所述的微流控合成芯片由平行双通道针头、聚合物软胶管、转接头组成，其中平行双通道针头为凝固浴和氢氧化镍前驱体通道，聚合物软胶管为mxene/石墨水相浆料通道。通过以下步骤制得：采用光刻或软刻微加工技术建立微通道网络，或者建立一个多t形通道，该t形通道有四个开口，其中两个口为凝固浴和氢氧化镍前驱体入口，一个口为mxene/石墨水相浆料入口，还有一个口为出口。
8.优选上述聚合物软胶管为聚二甲基硅氧烷管、聚氯乙烯管或聚四氟乙烯管中的一种；所述的微通道网络采用聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷微流体芯片制作而成；
9.优选所述的mxene/石墨水相优选为mxene/石墨粉水溶液浆料；所述的凝固浴相优选为硫酸镁乙醇溶液、氯化钙乙醇溶液、硫酸钙乙醇溶液中的一种；所述的铵源水相优选为氯化铵水溶液、硫酸铵水溶液的一种；所述的镍源水相优选为硫酸镍水溶液、氯化镍水溶液、硝酸镍水溶液的一种；所述的碱源水相优选为氢氧化钠、氢氧化钾水溶液的一种。
10.本发明的原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维的制备方法，其进一步的技术方案还可以是原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维的制备所述的加热温度优选为50～100℃。
11.本发明的原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维的制备方法，其进一步的技术方案还可以是原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维的制备所述的干燥温度优选为10～80℃，干燥时间优选为1～24h。
12.本发明具有以下有益效果：
13.1、在微流控反应通道内由于较小的微反应空间具有高效传质传热，可实现mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维的快速制备。
14.2、通过调控微流控合成参数，如微通道尺寸，流体流速，mxene和石墨质量比，前驱体组分等可对mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维组分、形貌和导电性等进行调控。
15.3、在mxene/石墨纤维表面原位生长氢氧化镍纳米片可提高复合纤维的导电性、比表面积和氧化还原活性位点，使复合纤维具有更强的电荷储存能力。
附图说明
16.图1是本发明的微流控合成mxene/石墨/氢氧化镍复合导电纤维示意图。
具体实施方式
17.以下通过具体实施例说明本发明的微流控合成氢氧化镍的mxene/石墨片/氢氧化镍复合纤维的方法，但本发明并不仅限定于这些实施例。
18.本发明涉及的实施例中的微流控合成芯片均通过以下方法制得：采用针头、聚二甲基硅氧烷软胶管、转接头。该三相微流控通过凝固浴相中金属离子对mxene/石墨水相浆料的络合作用，生成均匀的mxene/石墨纤维。通过数控微量注射泵控制流体的流速。
19.实施例1：
20.1.将250mg mxene、50mg石墨粉，分散在30ml水中，超声分散120min作为浆料，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速0.2ml h-1。
21.2.选用硫酸镁醇溶液作为凝固浴，吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速为
0.1ml h-1。
22.3.将1.0g氯化铵，0.46g六水合氯化镍，0.2g氢氧化钠分散在30ml水中，超声分散30min作为氢氧化镍前驱体，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速0.1ml h-1。
23.4.启动微流控装置：待凝固浴硫酸镁醇溶液完全充满软胶管后同时启动另外两相的注射泵，选用加热温度为50℃，待流速稳定后在装置出口处得到原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
24.5.将收集到的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维，用乙醇清洗三遍，蒸馏水清洗三遍，50℃干燥1h，得到均匀的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
25.实施例2
26.1.将260mg mxene、40mg石墨粉分散在30ml水中，超声分散120min作为浆料，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速5ml h-1。
27.2.选用氯化钙醇溶液作为凝固浴，并吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速为3ml h-1。
28.3.将2.4g硫酸铵，0.93g硫酸镍，0.28g氢氧化钾分散在30ml水中，超声分散30min作为氢氧化镍前驱体，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速3ml h-1。
29.4.启动微流控装置：待凝固浴氯化钙醇溶液完全充满软胶管后同时启动另外两相的注射泵，选用加热温度为60℃，待流速稳定后在装置出口处得到原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
30.5.将收集到的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维，用乙醇清洗三遍，蒸馏水清洗三遍，60℃干燥6h，得到均匀的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
31.实施例3
32.1.将500mg mxene、100mg石墨粉分散在30ml水中，超声分散160min作为浆料，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速10ml h-1。
33.2.选用硫酸钙醇溶液作为凝固浴，并吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速为8ml h-1。
34.3.将1.0g氯化铵，1.03g硝酸镍，0.28g氢氧化钾分散在30ml水中，超声分散30min作为氢氧化镍前驱体，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速8ml h-1。
35.4.启动微流控装置：待凝固浴硫酸钙醇溶液完全充满软胶管后同时启动另外两相的注射泵，选用加热温度为70℃，待流速稳定后在装置出口处得到原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
36.5.将收集到的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维，用乙醇清洗三遍，蒸馏水清洗三遍，70℃干燥16h，得到均匀的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
37.实施例4
38.1.将550mgmxene、50mg石墨粉分散在30ml水中，超声分散160min作为浆料，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速15ml h-1。
39.2.选用硫酸镁醇溶液作为凝固浴，并吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速为10ml h-1。
40.3.将1.0g氯化铵，1.03g硝酸镍，0.28g氢氧化钾分散在30ml水中，超声分散30min
作为氢氧化镍前驱体，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速4ml h-1。
41.4.启动微流控装置：待凝固浴硫酸镁醇溶液完全充满软胶管后同时启动另外两相的注射泵，选用加热温度为80℃，待流速稳定后在装置出口处得到原位生长氢氧化镍的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
42.5.将收集到的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维，用乙醇清洗三遍，蒸馏水清洗三遍，80℃干燥24h，得到均匀的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
43.实施例5
44.1.将400mg mxene、40mg石墨粉分散在30ml水中，超声分散120min作为浆料，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速30ml h-1。
45.3.选用氯化钙水溶液作为凝固浴，并吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速为10ml h-1。
46.3.将1.0g氯化铵，1.03g硝酸镍，0.28g氢氧化钾分散在30ml水中，超声分散30min作为氢氧化镍前驱体，将分散液吸入注射器后与微量注射泵连接设定流速10ml h-1。
47.4.启动微流控装置：待凝固浴氯化钙醇溶液完全充满软胶管后同时启动另外两相的注射泵，选用加热温度为100℃，待流速稳定后在装置出口处得到原位生长氢氧化镍的mxene石墨/氢氧化镍复合纤维。
48.5.将收集到的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维，用乙醇清洗三遍，蒸馏水清洗三遍，85℃干燥24h，得到均匀的mxene/石墨/氢氧化镍复合纤维。
49.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。