[发明专利]具有褶皱结构的超大尺寸碳化钛纳米片的制备方法及应用

说明书

本发明公开了具有褶皱结构的超大尺寸碳化钛纳米片的制备方法及应用，首先制备超薄Ti₃C₂纳米片，再通过将超薄Ti₃C₂纳米片与Na₂S·9H₂O进行水热反应制备出具有褶皱结构的超大尺寸Ti₃C₂纳米片，在此基础上通过真空抽滤技术制备电极并研究其储能性能。本发明所述的碳化钛纳米片具有褶皱结构，提高了比表面积，增加了电解质离子的迁移的通道；具有超大尺寸，微观尺寸大于6µm；采用真空抽滤技术制备的碳化钛柔性电极，具有优于超薄碳化钛纳米片制备的电极的电化学储能性质，且在常温常压条件下即可完成制备，可操作性高。

技术领域

本发明属于电容技术领域，尤其涉及一种具有褶皱结构的超大尺寸碳化钛纳米片的制备方法及其在电化学储能上的应用。

背景技术

作为一类重要的二维材料，过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MXene）已被广泛研究报道。MAX表示为M_n+1AX_n（n=1-3），其中M代表早期过渡金属（如Sc，Ti，Zr，V，Nb，Cr，Mo），A是III或IV族元素，X是C或N。通常情况下，MXene是从三元的碳化物或氮化物MAX中选择性刻蚀A层制备的。2011年，Gogotsi和他的团队首次报道用HF刻蚀Ti₃AlC₂中的Al来制备石墨烯状的Ti₃C₂。通过极性有机分子和金属离子自发插入Ti₃C₂，可显示出其与MAX的不同的性能。

Ti₃C₂是2D层状过渡金属碳化物和/或氮化物族中的典型代表，因为具有金属导电性、小带隙和表面官能团的亲水性等优点而被广泛应用于储能领域。Ti₃C₂的微观形貌、表面官能团和结构构型直接影响其电化学性能。2D Ti₃C₂作为可充电电池阳极，通过提供更多化学活性界面，显著提高了储能性能，缩短了离子扩散距离和改进平面内载流子/电荷传输动力学。然而，最大限度的利用Ti₃C₂作为超级电容器的电极材料还需克服一些挑战。例如，片状的Ti₃C₂在放电/充电操作期间不可避免的重新堆叠，阻碍电解质传输并限制其实际应用。如将片状的Ti₃C₂转变为具有褶皱结构的超大尺寸的碳化钛纳米片，使其作为电极材料就能够提供连续的电子传输路径，引入更多的传输通道，显著增强电子/离子传输动力学，进而提高电容器性能。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，发展一种低成本、低能耗、工艺简单的水热法制备具有褶皱结构的超大尺寸Ti₃C₂纳米片的技术，并通过真空抽滤技术制备Ti₃C₂柔性电极，该电极能够用于电化学储能性质测试，具有优于超薄Ti₃C₂纳米片电极的性能。

本发明的技术方案为：一种具有褶皱结构的超大尺寸碳化钛纳米片的制备方法，首先制备超薄Ti₃C₂纳米片，再通过将超薄Ti₃C₂纳米片与九水合硫化钠（Na₂S·9H₂O）进行水热反应制备出具有褶皱结构的超大尺寸Ti₃C₂纳米片，具体包括如下步骤：

1）超薄Ti₃C₂纳米片的制备；

2）将Na₂S·9H₂O加入超纯水中并于20 mL反应釜中搅拌至完全溶解；