[发明专利]二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料、其制备及应用

说明书

本发明涉及一种二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料、其制备及应用。制备得到的复合材料由石墨烯、氧化物、二维过渡金属碳化物组成。本发明构筑的三明治结构的二维过渡金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料，其相互插层的结构可防止石墨烯和二维过渡金属碳化物片与片的自堆叠，增加其电容活性位点；热还原过程产生的少量氧化物二氧化钛能够提供嵌入赝电容活性，同时大尺寸的石墨烯片层还可以增强二维过渡金属碳化物片层间的导电性，进一步提高复合材料的电化学性能和锂离子电容器性能。

技术领域

本发明涉及二维过渡金属钛化物的制备、三明治结构的二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料、其制备及应用，属于纳米电化学活性材料和能源储存技术领域。

背景技术

随着携式电子产品、电气化交通和智能电网普及，开发高功率和高能量密度储能设备有重要的意义。超级电容器，通过表面静电吸附或近表面的可逆氧化还原反应储能，具有高的功率密度。但是，超级电容器的能量密度因活性材料有限的电子储存能力而受到限制。锂离子电容器是一种杂化的储能器件，同时具有高功率、高能量密度的特点。锂离子电容器，可分为两种，一种是“消解型”锂离子电容器，由多孔碳正极和嵌入型负极组成；另一种是“摇椅式”锂离子电容器，由嵌入型正极和赝电容负极组成。目前锂离子电容器的功率密度和能量密度仍未满足商业化的需求。发展性能优越的赝电容活性材料，例如氮掺杂碳材料、RuO₂ nH₂O、Ni₂O₅等，尤其是纳米片复合材料有着巨大的商业应用潜力。其一，堆积的纳米片有高堆积密度使其具有高的体积电容。其二，开放的纳米片层提供了离子可快速接触的氧化还原活性位点。其三，导电纳米片允许有较大的功率操作。

在众多的纳米复合物中，二维过渡金属碳化物，是一种非常重要的新型电极材料，在锂离子电池和超级电容器中有非常广泛的作用。二维过渡金属碳化物有非常好的循环稳定性，倍率性和导电性、表面润湿性。而目前应用最广泛的负极材料当属活性炭，但该材料电容小，堆积密度低，难以实现高功能密度。开发性能优良、大表面体积比的二维负极材料可实现“摇椅式”锂离子电容器高性能需求。与二维材料组装成非对称工作电极可以提高容量，扩大电压窗口。相比于水系电容器能量密度提升1.5倍以上。

从材料的实际应用来看，虽然二维过渡金属碳化物有上述优点，但由于二维材料易重新堆叠，实际可利用的活性位点减少。合理的增加利用二维过渡金属碳化物的层间距，可以使得二维过渡金属碳化物基锂离子电容器能量密度有整体的提高。

发明内容

本发明为解决目前锂离子混合电容器体积能量密度较低，循环稳定性不好的问题，提供了一种二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料。

本发明的目的之二在于提供该二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法。该方法具有制备堆积密度高、工艺简单的特点，可有效解决锂离子电容器能量密度低、循环稳定性差的问题。

本发明的目的之三在于提供该二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料作为锂离子电容器负极材料的应用。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料，其特征在于该复合材料是一种三明治结构，两边分别是碳化钛和石墨烯中间为二氧化钛。

一种制备上述的二维过度金属碳化物/二氧化钛/石墨烯复合材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：