一种Ti3C2/Ni复合电极材料及其制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，在于公开一种ti3c2/ni复合电极材料及其制备方法。

背景技术

伴随着煤、化石燃料等不可再生能源的过渡开采以及环境严重污染，绿色能源的开发及其可持续发展问题日益备受关注，研发一种高效环保，低成本的能源储存与转换系统已经迫在眉睫。超级电容器作为一种高效储能装置，因其具有功率密度高，充放电速率快，循环寿命长以及环境友好等特点而引起广泛关注。目前，超级电容器已经成功应用于便携式消费类电子产品等领域，具有广泛的市场发展前景。

根据不同的储能机制，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而进行充放电过程；赝电容器则是通过电活性物质发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应而进行充放电工作的。赝电容器的电极材料通常过渡金属氧化物、氢氧化物等以及聚合物，但由于其导电性及稳定性差等缺点而应用受到限制。因此开发一种新型且具有优异电化学性能的超级电容器电极材料成为一个关键问题。本文研究的ti3c2/ni复合材料首次正极材料而应用于超级电容器，为制备新型超级电容器电极材料的发展提供了崭新的研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于公开一种ti3c2/ni复合电极材料及其制备方法。基于ti3c2纳米片的优异导电性、具有负电位以及表面具有大量含氧官能团等特点，通过正负电荷静电自组装法将ti3c2纳米片负载在具有三维多孔结构且具有高电导率的泡沫镍表面，通过ti3c2纳米片与泡沫镍的接触而充分发挥两者的优势而表现出良好的电化学性能。

本发明的技术方案：

一种ti3c2/ni复合电极材料充分结合ti3c2纳米片和泡沫镍的优点，基于二维ti3c2纳米片电导率高(1～3×10⁶s/m)、亲水性、表面带负电以及具有大量含氧官能团的特点，泡沫镍具有高比表面积、高电导率、低密度以及三维多孔结构等特点，以泡沫镍为基底，阳离子表面活性剂作为桥连剂，通过正负电荷静电自组装的方式将ti3c2纳米片负载在泡沫镍表面，制备出具有优异的电化学性能且作为超级电容器正极材料的ti3c2/ni复合电极材料。所述ti3c2纳米片在泡沫镍表面负载质量为0.2～0.6毫克/平方厘米。

一种ti3c2/ni复合电极材料及其制备方法，步骤如下：

第一步，将ti3alc2加入到氢氟酸中，在室温均匀搅拌的条件下，反应20-26小时，经过离心、水洗及真空干燥，得到具有二维层状结构的ti3c2；

氢氟酸的质量分数为40％～50％；

ti3alc2与氢氟酸的质量比为1:30～1:50；

第二步，将第一步得到的二维层状结构的ti3c2加入到二甲基亚砜，在室温下搅拌22-27小时，经过离心、水洗后，再将ti3c2分散在去离子水中进行超声，离心1小时得到ti3c2纳米片的悬浮液；

二维层状结构的ti3c2与二甲基亚砜的质量比为1:40～1:60；

ti3c2与去离子水的质量比为1:30～1:70；

超声时间为1-5小时；

第三步，配制阳离子表面活性剂的水溶液

阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基氯(溴)化铵，十四烷基三甲基氯(溴)化铵，十六烷基三甲基氯(溴)化铵，双十二烷基三甲基氯(溴)化铵，十八烷基二甲基苄基季铵氯(溴)化物中的一种或两种以上混合。

阳离子表面活性剂的水溶液浓度为1-4mg/ml；

第四步，将表面处理干净的泡沫镍分别交替浸渍在阳离子表面活性剂的水溶液与ti3c2纳米片的悬浮液中，每次浸渍时间为2-5分钟，共交替浸渍5-8次；将剩余的ti3c2纳米片的悬浮液通过真空抽滤的方法负载在泡沫镍表面，即得到ti3c2/泡沫镍复合电极材料。

所述泡沫镍的面积为1-8cm²，具有高比表面积(28.5cm²/g)，高电导率，低密度(350g/m²)以及三维多孔结构。

所述的ti3c2纳米片具有二维结构，厚度在8～15纳米，直径在1～2微米，电导率1～3×10⁶s/m，亲水性强，表面带负电且具有70％含氧官能团。

本发明的有益效果：

1)本发明充分利用二维ti3c2纳米片电导率高(1～3×10⁶s/cm)，亲水性，表面带负电以及具有大量含氧官能团的特点，泡沫镍具有高比表面积，高电导率以及三维多孔结构等优点，通过正负电荷静电自组装法将ti3c2纳米片负载在泡沫镍表面而制备具有优异的电化学性能ti3c2/ni复合材料，可以作为超级电容器的正极材料，同时为ti3c2与其他过渡金属泡沫骨架结构的复合物在超级电容器电极材料研究方面提供了理论基础。

2)本发明利用正负电荷静电自组装的方法制备ti3c2/ni复合电极材料，制备过程简单，能量消耗较少且易于工业化推广。通过利用阳离子表面活性剂与带负电荷的ti3c2纳米片静电吸引而负载在泡沫镍表面，使得ti3c2纳米片表面的含氧官能团暴露在其表面，更多的活性位点进行氧化还原反应而具有更优异的电化学性能，具有较高的比容量。

3)本发明得到的ti3c2/ni复合电极材料一种应用于超级电容器电极材料的新型复合电极材料，这种将ti3c2纳米片与金属泡沫镍复合作为超级电容器正极材料为制备ti3c2与其他金属泡沫基底的新型复合物提供了一定的技术依据。

附图说明

图1为ti3c2/ni复合材料的循环伏安特性曲线图。

图2为ti3c2/ni复合材料的恒流充放电曲线图。

图3为ti3c2/ni复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，以下所有实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种ti3c2/ni复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a.将1.0克ti3alc2与35克质量分数为40％的氢氟酸放入100毫升的塑料烧杯中，并在室温下以一定转速均匀搅拌24小时，经过离心、水洗及真空干燥，得到具有二维层状结构的ti3c2。

b.将步骤a所得到的1克二维层状结构的ti3c2与50克二甲基亚砜放入100毫升的烧杯中，在室温下均匀搅拌24小时，经过离心、水洗之后，再将ti3c2分散在45克去离子水中进行超声，在3500转/分钟的转速下离心1小时得到ti3c2纳米片的悬浮液。

c.配制质量浓度为2毫克/毫升十二烷基三甲基氯化铵水溶液。

d.将表面处理干净的面积为4平方厘米的泡沫镍分别交替浸渍在十二烷基三甲基氯化铵水溶液与ti3c2纳米片的悬浮液中，每次浸渍时间为3分钟，共浸渍7次；将剩余的ti3c2纳米片的悬浮液通过真空抽滤的方法负载在泡沫镍表面，即得到ti3c2/ni复合电极材料。

本实施例得到的超级电容器电极材料ti3c2/ni复合材料循环伏安特性测试图如图1所示，由图可以看出一对明显的氧化还原峰位，可说明ti3c2/ni复合物存在着赝电容现象。

本实施例得到的超级电容器电极材料ti3c2/ni复合材料恒流充放电曲线图如图2所示，在1a/g的电流密度下容量为618f/g。

本实施例得到的ti3c2/ni复合材料扫描电镜图如图3所示。由图3可以看出：二维层状结构的ti3c2经过二甲基亚砜插层及超声剥离得到的ti3c2纳米片，并且ti3c2纳米片层层负载在三维多孔结构的泡沫镍表面。本发明为新型超级电容器电极材料的研究提供了一定的理论基础。

实施例2

一种ti3c2/ni复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a.将1.0克ti3alc2与33克质量分数为40％的氢氟酸放入100毫升的塑料烧杯中，并在室温下以一定转速均匀搅拌22小时，经过离心、水洗及真空干燥，得到具有二维层状结构的ti3c2。

b.将步骤a所得到的1克二维层状结构的ti3c2与55克二甲基亚砜放入100毫升的烧杯中，在室温下均匀搅拌26小时，经过离心、水洗之后，再将ti3c2分散在50克去离子水中进行超声，在3500转/分钟的转速下离心1小时得到ti3c2纳米片的悬浮液。

c.配制质量浓度为3毫克/毫升十六烷基三甲基氯化铵水溶液。

d.将表面处理干净的面积为6平方厘米的泡沫镍分别交替浸渍在十二烷基三甲基氯化铵水溶液与ti3c2纳米片的悬浮液中，每次浸渍时间为2.5分钟，共浸渍8次；将剩余的ti3c2纳米片的悬浮液通过真空抽滤的方法负载在泡沫镍表面，即得到ti3c2/ni复合电极材料。

实施例3

一种ti3c2/ni复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a.将1.0克ti3alc2与40克质量分数为49％的氢氟酸放入100毫升的塑料烧杯中，并在室温下以一定转速均匀搅拌26小时，经过离心、水洗及真空干燥，得到具有二维层状结构的ti3c2。

b.将步骤a所得到的1克二维层状结构的ti3c2与60克二甲基亚砜放入100毫升的烧杯中，在室温下均匀搅拌22小时，经过离心、水洗之后，再将ti3c2分散在60克去离子水中进行超声，在3500转/分钟的转速下离心1小时得到ti3c2纳米片的悬浮液。

c.配制质量浓度为3毫克/毫升十八烷基二甲基苄基季铵氯化物水溶液。

d.将处理干净的面积为2平方厘米的泡沫镍分别交替浸渍在十二烷基三甲基氯化铵水溶液与ti3c2纳米片的悬浮液中，每次浸渍时间为4分钟，共浸渍5次；将剩余的ti3c2纳米片的悬浮液通过真空抽滤的方法负载在泡沫镍表面，即得到ti3c2/ni复合电极材料。