[发明专利]一种水热法制备二氧化锰/碳化钛复合材料的方法及其复合材料

说明书

本发明提供一种水热法制备二氧化锰/碳化钛复合材料的方法及其复合材料，将Ti₃C₂纳米粉体和盐酸多巴胺分别分散于超纯水中并混合均匀，在遮光条件下搅拌；再加入Tris‑缓冲液，在遮光条件下继续搅拌；将所得混合溶液分离、水洗和干燥，得到Ti₃C₂@PDA纳米粉体；将Ti₃C₂@PDA纳米粉体加入到超纯水中，分散均匀后再加入KMnO₄，进行水热反应；反应结束后自然冷却，即可得到二氧化锰/碳化钛复合材料。该方法可以在碳化钛表面形成均匀分布的二氧化锰，得到的复合材料电化学性能好，制备方法对设备要求低、操作简便、成本低廉，有利于实现工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于纳米功能材料的制备技术领域，特别地涉及一种水热法制备二氧化锰/碳化钛复合材料的方法及其复合材料。

背景技术

近年来，一类被称为MXene的材料的发现扩展了二维材料的族群，即过渡金属碳化物或碳氮化物，其结构与石墨烯类似。MXene材料可通过腐蚀除去其前驱体MAX相中的A层元素，并保持原来的MX结构不变而获得，如Ti₃C₂、Ti₂C等。MXene以其高导电性、大比表面积、多层结构、良好的化学稳定性及环境友好性，在锂离子电池、超级电容器、光催化和传感器等领域有着很大的应用潜力。然而Ti₃C₂片层结构容易堆叠，这样减少了比表面积，影响了离子在层间的扩散，降低了电化学性能，因此要将这些片层分离开。Mashtalir等对Ti₃C₂等MXene材料进行了插层研究，分别用肼、肼和二甲基甲酰胺混合物作为插入物质，测试结果显示，晶面间距从0.195nm分别增加到0.2548和0.268nm。Naguib等发现使用四丁基氢氧化铵(TBAOH)使分层变得更容易，从而实现MXene大规模分层。由此可见，化学物质插层是改善MXene纳米片堆叠的有效手段，但是此类方法往往工艺繁琐且产率较低。单纯的MXene片层材料容易堆叠在一起而影响其电化学性能，减少片层堆叠除了分层之外，另一种有效办法就是与其他材料复合，用MXene制作复合材料的研究也已经开展。Zhao等通过依次真空抽滤Ti₃C₂悬液和CNTs分散液，重复多次得到柔性的三明治式的Ti₃C₂/CNT复合纸。较纯的Ti₃C₂而言，其导电性更优异、体积电容更高，可达约350F/cm³，且体积电容在循环充放电10000次后基本保持不变。

在现有的超级电容器的电极材料中，赝电容的电极材料能进行连续的可逆的法拉第氧化还原反应，这使得赝电容的电极材料的能量密度高于双电层电容器的电极材料。因此，通过将MXene与赝电容电极材料(过渡金属氧化物、导电聚合物等)进行复合，可在改善MXene材料易堆叠问题的同时，使其电化学性能得到显著提高。MnO₂因其成本低，来源广，电化学性能好，对环境友好，在电池工业中得到了广泛应用，其作为电化学电容器的活性电极材料也具有很大的应用前景。纯二氧化锰的理论比电容量能达到1370F/g，是一种很有潜力的电极材料。但是，纯二氧化锰的循环稳定性差，低导电性等缺点导致了二氧化锰实际应用的困难。研究表明，二氧化锰能够通过改性来获得更好的电容性能。