一种绣球花状钒酸铋-MXene异质结及其制备方法和应用

本发明属于纳米功能材料领域，具体涉及一种绣球花状钒酸铋-mxene异质结及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钒酸铋材料属于斜方晶系结构，每个铋原子被6个氧原子包围，每个钒原子被4个氧原子包围。该结构形成的钒酸铋具有一定的层状结构性质，是一种有一定框架结构的半导体，同时有转化反应和合金反应，理论比容量高，成为有潜力的电池负极材料。但是其带隙在2.26 ev，导电性不太好，且合金反应带来的体积膨胀会破坏结构，不利于钠离子电池的长循环寿命。现有的一些针对其做出的改性多为改变其材料本身的形貌，如针状、树突状、纳米颗粒等，与mxene形成有一定形貌的异质结构，尤其是钒系mxene的同源异质结构尚未报道。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种绣球花状钒酸铋-mxene异质结的制备方法，其操作简单，对设备要求不高，可以简单高效地制备得到绣球花状钒酸铋-mxene异质结。

2、本发明的第二目的在于提供一种绣球花状钒酸铋-mxene异质结，其由上述绣球花状钒酸铋-mxene异质结的制备方法制备得到，其结构新颖，其独特的绣球花状微结构在用于钠离子电池时可以有效的增加与电解液的接触面积，促进离子传输，减小扩散势垒，交错的表面片层可以缓解充放电过程中的体积膨胀，从而增加电池使用寿命和稳定性，使电池容量更好地保持。

3、本发明的第三目的在于提供绣球花状钒酸铋-mxene异质结在钠离子电池中的应用。

4、基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

5、一种绣球花状钒酸铋-mxene异质结的制备方法，其包括：

6、（1）将v2alc粉末在氢氟酸溶液中搅拌刻蚀，反应结束后用去离子水反复清洗至ph为中性，抽滤得到的悬浊液，将抽滤后样品冷冻干燥得到v2c第一粉体；

7、（2）将v2c第一粉体与水混合制成悬浊液，加入bicl3，同时滴加h2o2溶液，搅拌均匀后转入反应釜，140~180℃水热反应12~20 h，冷却、离心、干燥后得到产物。

8、本发明是在制备v2c mxene的基础上原位生长钒酸铋，从而形成的绣球花状钒酸铋-mxene异质结构。要想制备得到绣球花状，第一要点是铋源的选择；第二要点是对工艺参数的控制，尤其是温度的控制，绣球花状的形成对于温度极为敏感。

9、进一步地，步骤（1）中，所述氢氟酸溶液的浓度为49wt%，v2alc粉末在氢氟酸溶液中的刻蚀温度为55~65℃，刻蚀时间为50 h ~60 h。

10、进一步地，步骤（2）中，所述h2o2溶液浓度为30wt%，h2o2溶液和v2c第一粉体的体积质量比为1ml:120mg。双氧水氧化性很强，过量会得到氧化过度产物，不利于异质结构的形成。

11、进一步地，步骤（2）中，bicl3与v2c第一粉体摩尔比为1:5~6。在该比例下异质结构表面形貌生长效果较好，水热反应的效果更佳。

12、进一步地，步骤（2）中，以5~10℃/min的速率升温到140~180℃。

13、优选地，水热反应的温度为160℃，水热反应时间为16 h，在水热反应时，温度由室温以5~10℃/min的速率升至160℃，并在160℃保温16 h。为了得到绣球花状的钒酸铋-mxene异质结构，缓慢升温是关键点之一。升温太快的话，反应速率太快，不易于结构表面形貌的形成，而升温太慢又会导致制备的效率低下。

14、一种绣球花状钒酸铋-mxene异质结，其由上述绣球花状钒酸铋-mxene异质结的制备方法制备得到。

15、一种上述绣球花状钒酸铋-mxene异质结在钠离子电池中的应用。

16、进一步地，将绣球花状钒酸铋-mxene、导电碳黑和羧甲基纤维素以7:2:1的重量比与去离子水混合，研磨成均匀的浆液，涂布在干净的铜箔上，干燥，切片，作为钠离子电池的负极，绣球花状钒酸铋-mxene在铜箔上的负载量为1-1.2mg·cm-2。

17、进一步地，将负载有绣球花状钒酸铋-mxene的铜箔作为负极，napf6的二甘醇二甲醚溶液作为电解液，组装成钠离子电池。

18、其中， napf6的二甘醇二甲醚溶液的浓度为1mol/l。

19、本发明制得的绣球花状钒酸铋-mxene异质结构，其独特的绣球花异质结构在用于钠离子电池时可以有效增大电解液接触面，促进离子传输和扩散，从而提高反应速率，降低扩散势垒，其界面处内建电场可以促进电子传输，同时交错的阵列表面可以很好地缓解电池充放电过程中的体积膨胀，提高电池稳定性，增加电池寿命。该钠离子电池在在2a的恒电流充放电中循环2000圈仍然还有233 mah g-1以上的容量，对容量的保持效果较佳。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明提供了一种绣球花状钒酸铋-mxene异质结构及其制备方法和应用。该制备方法通过对铋源的挑选和反应条件的控制，得到了花状钒酸铋异质结，其不仅操作简单，而且对于设备的要求不高，具有实现工业化的潜力。通过该制备方法得到的花状钒酸铋异质结构新颖，绣球花状表面的阵列结构可以显著增加与电解液的接触面积，达到更好的离子传输效果，且可以极大地缓解电池充放电过程中的体积膨胀，在钠离子电池中有着较佳的应用前景。

技术特征：

1.一种绣球花状钒酸铋-mxene异质结的制备方法，其特征在于，过程如下：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氢氟酸溶液的浓度为49wt%，v2alc粉末在氢氟酸溶液中的刻蚀温度为55~65℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述h2o2溶液浓度为30wt%，h2o2溶液和v2c第一粉体的体积质量比为1ml:120mg。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，bicl3与v2c第一粉体摩尔比为1:5~6。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，以5~10℃/min的速率升温到140~180℃。

6.权利要求1至5任一项所述的制备方法制得的绣球花状钒酸铋-mxene异质结。

7.一种如权利要求6所述的绣球花状钒酸铋-mxene异质结构在钠离子电池中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将绣球花状钒酸铋-mxene、导电碳黑和羧甲基纤维素以7:2:1的重量比与去离子水混合，研磨成均匀的浆液，涂布在干净的铜箔上，干燥，切片，作为钠离子电池的负极。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，绣球花状钒酸铋-mxene在铜箔上的负载量为1-1.2mg·cm-2。

技术总结
本发明公开一种绣球花状钒酸铋‑MXene异质结及其制备方法和应用，属于纳米功能材料技术领域，该制备方法通过对铋源的挑选和反应条件的控制，得到了绣球花状钒酸铋‑MXene异质结，其不仅操作简单，而且对于设备的要求不高，具有实现工业化的潜力。通过该制备方法得到的绣球花状钒酸铋‑MXene异质结结构新颖，绣球花状表面的阵列结构可以显著增加与电解液的接触面积，达到更好的离子传输效果，且可以极大地缓解电池充放电过程中的体积膨胀，同时异质结界面处的内建电场可以促进电荷传输，进一步提升电化学性能，在钠离子电池中有着较佳的应用前景。

技术研发人员：肖助兵,胡爱国,周丹,吴天利
受保护的技术使用者：河南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14