一种MXene-有机分子杂化材料的制备方法及其在光电储一体电池中的应用

本发明涉及光电储一体电池，具体而言，尤其涉及一种mxene-有机分子杂化材料的制备方法及其在光电储一体电池中的应用。

背景技术：

1、可穿戴电子产品的快速发展对柔性自供电设备提出了新要求。太阳能具有储量丰富、环境友好、易于采集等优点，在替代传统化石能源方面具有很强的竞争力。将柔性太阳能电池和柔性电化学储能装置进行耦合，即可构筑光电储一体电池，可以实现对光生电荷进行高效快速存储，是高性价比的能量转换和存储自充电电源，光电储一体电池体系不仅要求超级电容器具有较高的能量密度和较快的电荷存储速率，还要求其具备良好的可设计性和可调控性，以优化参数匹配。

2、电极的结构对超级电容器比容量具有决定性影响。有机电极资源丰富、环境友好及结构可设计性等优势，在制备可穿戴光电储一体电池方面具有巨大的研究潜力。但是有机电极存在带隙较宽，氧化还原活性中心利用率较低的问题；此外，有机分子易溶于电解质中，降低了柔性超级电容器的循环寿命。将有机分子通过共价键或π-π相互作用力负载在无机材料例如mxene表面，可以有效提升电极的比容量和循环寿命。

3、虽然通过mxene与有机分子的协同效应可以有效提升超级电容器的能量密，但是有机分子的负载量仍然较低，超级电容器的能量密度仍有巨大的提升空间，继而提升光电储一体电池的电荷存储效率。因此，提升有机分子的负载量，制备高性能mxene-有机分子的杂化电极材料具有重大的意义。

技术实现思路

1、为提升mxene-有机分子杂化电极材料中氧化还原活性中心的含量，本发明提供一种mxene-有机分子杂化材料的制备方法，提升有机分子的负载量，以简单的方法和较低的成本制备超级电容器，提升能量密度，继而构筑光电储一体电池，实现电荷的快速存储。

2、本发明利用带有正电荷的芳硝基化合物与带有负电荷的mxene通过共价键交联，提高有机分子的负载量。赝电容mxene与具有氧化还原活性中心有机分子通过协同作用，提升超级电容器的能量密度。mxene与有机分子通过共价键交联，提升电极的电导率和电荷转移速率，促进光生电荷的存储速率。

3、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

4、本发明一方面提供一种mxene-有机分子杂化材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

5、(1)将刻蚀后的mxene纳米片分散于有机溶剂中，超声剥离分散；

6、(2)向步骤(1)得到的分散液中添加芳硝基化合物，通过静电相互作用将芳硝基化合物插层到mxene纳米片中；

7、(3)向步骤(2)得到的混合液中添加交联剂，在催化剂的作用下进行反应，随后对产物进行提纯，得到mxene-有机分子杂化材料。

8、上述技术方案中，进一步地，步骤(1)中，所述有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮中的任意一种。

9、上述技术方案中，进一步地，步骤(1)中，所述超声时间为30-120min。

10、上述技术方案中，进一步地，步骤(2)中，所述芳硝基化合物为含有-oh芳环、芳杂环、偶氮芳环结构，且含有-no2结构的分子，包括4-硝基苯酚、3-硝基苯酚、2-硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三硝基苯酚、2-硝基-1-萘酚、4-硝基-1-萘酚、2,4-二硝基萘酚、4-羟基-4-硝基偶氮苯、4-(4-硝基苯偶氮)-1-萘酚中的任意一种。

11、上述技术方案中，进一步地，步骤(2)中，芳硝基化合物插层到mxene纳米片的方法包括静置、机械搅拌、超声中的任意一种。

12、上述技术方案中，进一步地，步骤(3)中，所述的交联剂包括二醛类、二异氰酸酯类和二酰氯类有机分子中的任意一种，优选为对二苯甲醛、对苯二异氰酸酯、对苯二甲酰氯中的任意一种；

13、所述催化剂包括三乙胺、二月桂酸二丁基锡中的任意一种；

14、所述反应温度为0-120℃，反应时间为1-12h；

15、所述提纯包括过滤洗涤、离心洗涤中的任意一种。

16、本发明另一方面提供一种上述制备方法制得的mxene-有机分子杂化材料在光电储一体电池中的应用，包括以下步骤：

17、1)以mxene-有机分子杂化材料为负极材料，将负极材料与正极材料、凝胶电解质组装成超级电容器；

18、2)将超级电容器与太阳能电池耦合，构筑光电储一体电池。

19、上述技术方案中，进一步地，步骤1)中，所述的正极材料包括mno2、活性炭、聚苯胺、v2o5中的任意一种。

20、上述技术方案中，进一步地，步骤1)中，所述的凝胶电解质的制备方法为：

21、所述凝胶包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵中的任意一种；

22、所述凝胶电解质中电解质的质量分数5-40wt％；

23、所述凝胶的水含量30-90wt％。

24、上述技术方案中，进一步地，步骤2)中，所述太阳能电池包括钙钛矿太阳能电池、硅太阳能电池中的任意一种。

25、本发明与现有方法相比有以下有益效果：

26、(1)本发明方法选用带有正电荷的芳硝基化合物与带有负电荷的mxene共价键交联，制备杂化电极材料，现有方法的有机分子负载量较少，而该方法通过增加有机分子的负载量，同时赝电容mxene与具有氧化还原活性中心有机分子通过协同作用，有效提升电极的比容量，实现提升光生电荷的存储量，提升电极的电导率和电荷转移速率。

27、(2)本发明制备方法操作简单，可拓展到更多的有机分子体系。

28、(3)本发明方法利用交联剂交联mxene与芳硝基化合物，这种共价键结构促使电子从ti向有机分子转移，增加有机分子的电子云密度，提升有机分子对离子的吸附能力，提升电极的电导率和电荷转移速率，促进光生电荷的快速存储。

技术特征：

1.一种mxene-有机分子杂化材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮中的任意一种。

3.根据权利1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述超声时间为30-120min。

4.根据权利1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述芳硝基化合物为含有-oh芳环、芳杂环、偶氮芳环结构，且含有-no2结构的分子，包括4-硝基苯酚、3-硝基苯酚、2-硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三硝基苯酚、2-硝基-1-萘酚、4-硝基-1-萘酚、2,4-二硝基萘酚、4-羟基-4-硝基偶氮苯、4-(4-硝基苯偶氮)-1-萘酚中的任意一种。

5.根据权利1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，芳硝基化合物插层到mxene纳米片的方法包括静置、机械搅拌、超声中的任意一种。

6.根据权利1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述交联剂包括二醛类、二异氰酸酯类和二酰氯类有机分子中的任意一种；

7.一种权利要求1-6任一项所述制备方法制得的mxene-有机分子杂化材料在光电储一体电池中的应用，其特征在于，所述应用方法包括以下步骤：

8.根据权利7所述的应用，其特征在于，步骤1)中，所述的正极材料包括mno2、活性炭、聚苯胺、v2o5中的任意一种。

9.根据权利7所述的应用，其特征在于，步骤1)中，所述凝胶电解质中凝胶包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵中的任意一种；

10.根据权利7所述的应用，其特征在于，步骤2)中，所述的太阳能电池包括钙钛矿太阳能电池、硅太阳能电池中的任意一种。

技术总结
本发明公开了一种MXene‑有机分子杂化材料的制备方法及其在光电储一体电池中的应用。该材料的制备方法包括以下步骤：(1)将刻蚀后的MXene纳米片分散于有机溶剂中，超声剥离分散；(2)向分散液中添加芳硝基化合物，通过静电相互作用将芳硝基化合物插层到MXene纳米片中；(3)添加交联剂，在催化剂的作用下进行反应，随后对产物进行提纯，得到MXene‑有机分子杂化材料。本发明选用带有正电荷的芳硝基化合物与带有负电荷的MXene共价键交联，制备杂化电极材料，同时赝电容MXene与具有氧化还原活性中心有机分子通过协同作用，有效提升电极的比容量，实现提升光生电荷的存储量、电极的电导率和电荷转移速率。

技术研发人员：刘生忠,张浩翔,邢鑫鑫,朱岩,王开
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15