[发明专利]一种用于超级电容器的MXene-铜纳米线复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器的MXene‑铜纳米线复合材料及其制备方法。本发明中的MXene‑铜纳米线复合材料制备方法包括以下步骤：使用湿化学法平均直径约为30纳米的铜纳米线；使用刻蚀法制备少层结构的MXene纳米材料；使用超声法将铜纳米线与MXene均匀混合而后真空抽滤得到MXene‑铜纳米线的复合薄膜；将复合材料薄膜、导电剂、粘结剂按一定的质量比置于研钵中研磨均匀后，将浆液旋涂于集流体表面，将制备得到的电极进行超电性能的测试。本发明铜纳米线的引入提高了MXene的层间距，使其具有更大的比表面积与储能空间，降低了MXene的电阻，进而提升MXene金属纳米复合材料在实际应用中的导电性、电化学性能和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及MXene材料技术领域，具体涉及一种用于超级电容器的MXene-铜纳米线复合材料及其制备方法。

背景技术

二维材料因比表面积大、离子传输路径短等特点而得到广泛关注，在储能领域也具有巨大的发展潜力。只有原子量级厚度的二维材料，表面活性位点多，力学性能优良，正契合储能器件对电极材料的要求。2011年发现的MXene是一类新型二维材料，MXene含有碳原子层，所以具有类似石墨烯的良好导电性；而过渡金属层使其表现出类似过渡金属氧化物的性能；同时，表面多样的官能团赋予MXene良好的亲水性。这种独特的性能组合，使得MXene电荷响应速度快，具有赝电容特征且循环性能稳定，成为储能领域的研究焦点。

刻蚀后的多层MXene片层之间存在氢键和范德华力的作用会使得片层重新堆叠，这种特性导致MXene层间距的减小以及减缓粒子传输速率，从而降低其电化学性能，最终导致其比电容较低。因此，为了进一步提高基于MXene的电极材料的电容，通过与其他材料(如聚苯胺、还原石墨烯氧化物、金属氧化物和许多其他提高其作为电极材料的效率的材料)结合来修饰MXene，从而提高其电化学性能的研究已经成为当前的研究热点之一。

金属铜具有优良的电导率,热导率和机械性能，铜纳米线(CuNWs)不仅导电性更为优越且形貌均一可控，其比表面积和比体积都很大。

发明内容

为解决上述MXene材料的层间易堆积的问题，本发明提出一种用于超级电容器的MXene-铜纳米线复合材料及其制备方法，通过该制备方法制备的MXene-铜纳米线电极材料能够避免MXene材料的层间堆积，提高MXene材料的比表面积和活性位点以及层间储能空间，进而提升MXene金属纳米复合材料在实际应用中的导电性、电化学性能和循环稳定性。

本发明可通过以下技术方案予以解决：

本发明的一种用于超级电容器的MXene-铜纳米线复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

(1)水热法制备铜纳米线；

(2)在9mol·L^-1的盐酸中加入2g LiF原位生成HF，将2g MAX相的铝层刻蚀后分别用去离子水与乙醇离心后得到MXene分散液，真空抽滤制备MXene薄膜；

(3)超声法制备MXene-铜纳米线复合材料；

(4)采用旋涂法将与导电炭黑和粘结剂按一定比例均匀混合的MXene-铜纳米线复合材料涂覆在集流体表面制备电极。

优选地，所述步骤(1)中所述铜纳米线直径为20～60nm，长度为数十～数百微米。

优选地，所述步骤(2)中所述MXene包括但不限于Ti₃C₂T_X、Ti₂CT_x、Cr₂CT_X中任意一种。

优选的，所述步骤(2)中所述刻蚀温度为35～45摄氏度，刻蚀时间为24～48h。