[发明专利]一种自支撑三维多孔MXene电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种自支撑三维多孔MXene电极材料及其制备方法，所述材料有蜂窝状三维多孔网络结构碳骨架，MXene在碳骨架上均匀负载，且无序排列，其中孔径范围在100nm～20um,孔容积为1～5cm³g^‑1，比表面积为50～200m²g^‑1，MXene面载量在0.5～2.5mg/cm²。所述方法在三维碳骨架上成功负载MXene，所得材料制成电极应用在超级电容器中，表现出了相较于二维MXene材料更好的比电容、倍率性能以及循环性能。

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其自支撑多孔材料为基础的电极及其制备方法。

背景技术

超级电容器，也称电化学电容器，与二次电池相比，尽管超级电容器在相同体积下能够提供电池100到1000倍的功率密度，但是相对于能量密度来讲，通常情况下比电池要低3到30倍。这就使得超级电容器适合于那些需要应急电源但不需要高存储能量的应用场合。相对于物理电容器来说，超级电容器的输出功率较低，可以达到约10kW kg^-1，但是另一方面，超级电容器的能量密度比物理电容器高一个甚至几个数量级。和电池相比，超级电容器的能量密度较低，限制了其发展，因此，提高其能量密度是当前迫切需要解决的问题。

自从2004年石墨烯被发现以来，二维层状材料因其独特的物理性能与化学性能受到了强烈的关注。2011年，Naguib等人使用氢氟酸液相刻蚀MAX相陶瓷的方法得到了一种新型片层材料，因其具有类似石墨烯的二维片层结构，被并命名为MXene。Ti₃C₂T_x作为最早开发出来的MXene材料，因为其具有金属的导电性，高容量和亲水表面的特性，高度可调节的活性化学表面，已经在超级电容器，锂离子、钠离子电池，电磁屏蔽，传感器，生物医学与成像中进行了广泛的探索。

但是MXene材料有着和其他二维材料一样的缺点，容易发生堆叠，变为缺少层间缺少空隙的紧密排列。这个问题会使MXene的比表面积减小，阻碍离子的渗透，还限制了表面对其他物质的吸附活性，使得MXene的各方面性能大幅降低。为了保证MXene比表面积的大小，将纳米MXene片层作为基础单元，组装成具有多孔三维网络结构的MXene材料，保证MXene的比表面积大小，防止其堆叠，以表现出优异的储能性能。

将二维MXene构筑成三维结构的方法有很多，可以概括性的分为模板法，自组装法，诱导法以及其他方法。模板法是先制作具有三维结构的骨架材料，然后用静电吸附等手段，将MXene片层负载在模板上。模板法还可以进一步处理，通过惰性气体保护下热处理或冻干的方式，将原有的模板去除，保留MXene的三维构架。组装法是将MXene与其他纳米材料在分散介质中混合，然后通过保护气下热处理或冻干的方式去除分散剂，得到三维结构的MXene。诱导法是利用MXene表面带负电的特性，通过改变pH或添加离子等方式，使MXene快速絮凝冻干，得到具有三维褶皱的MXene。

发明内容

本发明的目的是提供一种自支撑三维多孔MXene电极材料及其制备方法，该方法在三维碳骨架上成功负载MXene，所得材料制成电极应用在超级电容器中，表现出了相较于现有技术中的其它MXene材料更好的比电容、倍率性能以及循环性能。

本发明首先提供一种自支撑三维多孔MXene电极，其特征在于，所述材料有蜂窝状三维多孔网络结构碳骨架，MXene在碳骨架上均匀负载，且无序排列，其中孔径范围在100nm～20um,孔容积为1～5cm³ g^-1，比表面积为50～200m² g^-1，优选100～200m² g^-1，MXene面载量在0.5～2.5mg/cm²，优选1.5～2.5mg/cm²。