一种MXene/蚕丝复合纤维及其制备方法和应用与流程

本发明涉及超级电容器，尤其涉及一种mxene/蚕丝复合纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、mxene是一类新型二维材料，导电性能优异、表面官能团丰富可控、层间距可调。这种独特的性能组合，使得mxene电荷响应速度快、具有赝电容特征且循环性能稳定。基于mxene制备的纤维在超级电容器领域具有远大的发展前景。然而mxene纤维存在机械性能较差、易氧化和易重新堆积的问题，在循环过程中易发生塌陷和再堆垛，影响离子在层间的传输，从而限制了mxene纤维的发展，因此如何提高mxene材料的比容量和机械柔性是目前研究中的一项难题。

2、研究表明，异质材料复合、杂原子掺杂等方法可以提高mxene的物理化学性能。将蚕丝纳米纤维(snf)等高长径比的纳米纤维引入到mxene的片层中间，通过氢键和范德华力等结合方式，能够显著增强其机械柔性；杂原子掺杂可以调整mxene的电子结构，有效地提高材料的赝电容特性和电导率，使其具有良好的电化学性能，且对材料本身结构影响不大。目前，mxene在杂原子掺杂方向的制备方法有溶剂热法、等离子体处理法、微波法或热处理法等。溶剂热法在制备过程中易生成小分子产物；等离子体处理损伤材料结构且操作复杂成本高昂；微波法掺杂效果不佳且无法进行大规模制备；对于常用的热处理，500℃左右的退火会导致mxene结构的恶化和性能下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种mxene/蚕丝复合纤维及其制备方法和应用。所述制备方法简单，且得到的mxene/蚕丝复合纤维具有良好的力学性能和电化学性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种mxene/蚕丝复合纤维的制备方法，包括以下步骤：

4、将氮掺杂碳量子点分散液、蚕丝纳米纤维分散液和mxene分散液混合，得到纺丝液；

5、将所述纺丝液进行微流控湿法纺丝，得到所述mxene/蚕丝复合纤维。

6、优选的，所述氮掺杂碳量子点分散液的浓度为5～20mg/ml；

7、所述蚕丝纳米纤维分散液的质量浓度为0.5～1.5％；

8、所述mxene分散液的浓度为40～50mg/ml。

9、优选的，所述氮掺杂碳量子点分散液中的氮掺杂碳量子点和蚕丝纳米纤维分散液中的蚕丝纳米纤维的质量比为(0～20)：(0～20)；

10、所述氮掺杂碳量子点分散液中的氮掺杂碳量子点和所述mxene分散液中的mxene的质量比为(0～20)：(60～100)。

11、优选的，所述mxene分散液中的mxene的制备方法包括以下步骤：

12、将max、氟化锂和浓盐酸混合，进行刻蚀，得到所述mxene。

13、优选的，所述浓盐酸的浓度为6～10mol/l；

14、所述max、氟化锂和浓盐酸的用量比为1g:1g:(12～20)ml。

15、优选的，所述刻蚀在搅拌的条件下进行；

16、所述刻蚀的温度为35～40℃，时间为24～48h。

17、优选的，所述混合包括依次进行的搅拌和超声；

18、所述搅拌的温度为25～35℃，转速为100～300r/min，时间为4～8h。

19、优选的，所述微流控湿法纺丝采用的凝固浴包括乙醇或硫酸镁的乙醇溶液；

20、所述微流控湿法纺丝采用的针头为14～27g；所述微流控湿法纺丝的出液速率为60～150ml/h。

21、本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的mxene/蚕丝复合纤维，包括氮掺杂碳量子点、蚕丝纳米纤维和mxene；

22、所述氮掺杂碳量子点和蚕丝纳米纤维均与mxene之间通过氢键作用和范德华力作用形成异质结构。

23、本发明还提供了上述技术方案所述mxene/蚕丝复合纤维在超级电容器中的应用。

24、本发明提供了一种mxene/蚕丝复合纤维的制备方法，包括以下步骤：将氮掺杂碳量子点分散液、蚕丝纳米纤维分散液和mxene分散液混合，得到纺丝液；将所述纺丝液进行微流控湿法纺丝，得到所述mxene/蚕丝复合纤维。本发明所述制备方法简单、成本低、时间短，适合大规模的生产；本发明针对mxene纳米片结构容易塌陷和再堆垛的问题，加入氮掺杂碳量子点提高mxene力学性能的情况下引入二维材料蚕丝纳米纤维，能够有效改善循环过程中的结构塌陷问题，提高材料的稳定性能，保证复合材料的结构完整性，有利于提高材料力学性能及电化学性能；同时，所述氮掺杂碳量子点和蚕丝纳米纤维可以提供更多的氧化还原活性位点，有效提升容量，能有效缓解循环过程中的体积收缩和膨胀造成的结构崩塌，提高材料的循环稳定性；所述制备方法制备得到的mxene/蚕丝复合纤维中氮掺杂碳量子点和蚕丝纳米纤维均与mxene之间通过氢键作用和范德华力作用形成异质结构能够在充放电过程中提高电子与离子的迁移率，从而改善材料的倍率性能；氮掺杂碳量子点的引入提高了mxene的机械强度；蚕丝纳米纤维的引入提供更多位点，提高了复合材料的赝电容性能和导电性，在电化学储能领域有巨大的潜在应用。

技术特征：

1.一种mxene/蚕丝复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳量子点分散液的浓度为5～20mg/ml；

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳量子点分散液中的氮掺杂碳量子点和蚕丝纳米纤维分散液中的蚕丝纳米纤维的质量比为(0～20)：(0～20)；

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述mxene分散液中的mxene的制备方法包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述浓盐酸的浓度为6～10mol/l；

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀在搅拌的条件下进行；

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合包括依次进行的搅拌和超声；

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微流控湿法纺丝采用的凝固浴包括乙醇或硫酸镁的乙醇溶液；

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的mxene/蚕丝复合纤维，包括氮掺杂碳量子点、蚕丝纳米纤维和mxene；

10.权利要求9所述mxene/蚕丝复合纤维在超级电容器中的应用。

技术总结
本发明涉及超级电容器技术领域，尤其涉及一种MXene/蚕丝复合纤维及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法，包括以下步骤：将氮掺杂碳量子点分散液、蚕丝纳米纤维分散液和MXene分散液混合，得到纺丝液；将所述纺丝液进行微流控湿法纺丝，得到所述MXene/蚕丝复合纤维。所述制备方法简单，且得到的MXene/蚕丝复合纤维具有良好的力学性能和电化学性能。

技术研发人员：武观,周振杰,满增明,张扬,吕汪洋
受保护的技术使用者：现代纺织技术创新中心（鉴湖实验室）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13