[发明专利]一种多孔二维过度金属碳化物的制备方法及其应用

说明书

本技术属于超级电容器材料领域，具体涉及一种多孔二维过度金属碳化物的制备方法及其应用。本发明使用KOH活化方法，并通过控制KOH与MXene的质量比例，球磨时间，以及活化时长进行调控孔结构大小和孔洞，对二维层状过渡金属碳化合物进行刻蚀，得到多孔的二维过度金属碳化物，这一方法可以对所有类型的Mxene进行广泛应用，并不需要预先对MXene进行预处理，方法简单易行，可以大规模扩大并应用至产业化；同时制成的多孔二维过度金属碳化物可应用于超级电容器电池材料并对其性能进行测定。

技术领域

本技术属于超级电容器材料领域，具体涉及一种多孔二维过度金属碳化物的制备方法及其应用。

背景技术

活性炭因为其密度高，孔径种类多，价格低廉因此易于商业化，是目前超级电容器的主流活性物质。但是活性炭的低电导率限制了其多项电化学性能[Zheng C,Zhou X F,CAO H L,et al.Nitrogen-doped pores graphene-activated carbon compositederived from“bucky gels”for supercapacitors,RSC Adcances,2015(5):10739-10745]。另外比表面积越大的活性炭其体密度越低，也相应影响了其在整体活性物质的质量比重，最终导致了较低的质量能量密度及体积能量密度。开发新型用于超级电容器的活性材料是提高超级电容器性能的而有效手段。

美国德州大学ZHU等用KOH对还原氧化石墨烯进行了活化，制备了三维多孔石墨烯，实验结果检测将其用于超级电容器后，其能量密度接近于铅酸电池[ZHU Y,MURALI S,STOLLER M D,et al.Carbon-based supercapacitors produced by activation ofgraphene.Science,2011,332(6037):1537-1541]。也有课题组利用氧化基团对石墨烯表面进行造孔，实验结果表明在高充电倍率下仍然能保持较高比电容量.(Wen,Z,H,et al.,Adv.Mater.,2012,24,5610)。然而其高昂的价格仍然离商业化有一定距离。

近年来，二维过渡金属碳/氮化合物(MXenes)作为新型层状结构材料，由于其结构的多样性和可调性，引起了研究人员的广泛关注[Guan R.,Yuan X.,Wu Z.,Wang H.,JiangL.,Li Y.,Zeng G.Sci.Total Environ.,2017,609,1433-1442.][Yan B.,Tong X.,AyotteP.,Zhao Y.Soft Matter 2011,7,10001-10009.]。是从2011年来新兴的具有特定组成的一系列层状结构材料和二维纳米片层材料的统称，具有非常优良的力学、电学和磁学性能，且其导电性可以达到6,500S/m。目前，此类新材料在材料制备、结构调控，及其在储能方面的应用还处于探索阶段。MXenes二维纳米片层材料的制备方式已从最初的使用氢氟酸(HF)制作，发展到比较温和的原位产生HF制作，以及近期的最小强度剥离(MILD)方法制作。此二维纳米材料作为锂离子电池负极时，对锂离子的循环克容量约为400mAh/g，其垂直阵列在水体系的超级电容中的可用克容量可达近300F/g，作为高密度储能材料应该得到足够重视。在Mxenes上直接设置孔洞结构可以有效提高离子在插层之间的传输效率。

中国专利申请CN 106145951 A公开了一种多空二位过度金属碳化合物及其制备方法，其采用M位掺杂Cr元素的MAX相固溶体材料作为前驱体，在腐蚀剂作用下Cr原子从MAX相固溶体中脱出，形成空洞。然而此方法需要在MXenes合成前期进行掺杂，不具有广泛应用范围。

发明内容

为克服以上技术问题，本发明旨在提供一种多孔二维过度金属碳化物的制备方法，该方法一种可以根据需求进行定制孔结构的大小以及孔洞多少，是一种可以大规模应用于产业化的方法。

为实现以上技术目的，本发明提供以下技术方案：

一种多孔二维过度金属碳化物的制备方法，包括以下制备步骤：