[发明专利]一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料及制备和应用

权利要求书

1.一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用，其特征在于，所述含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料的制备包括如下制备步骤：

（1）将微米级MAX相陶瓷材料经高能球磨预处理，然后用盐酸和氟化锂溶液刻蚀处理，得到二维层状MXene；所述高能球磨预处理的球料比为5~40:1，球磨时间为12~36h，转速为400rpm；

（2）将步骤（1）得到的二维层状MXene加入去离子水中在惰性气氛下超声剥离，得到单层MXene纳米片；

（3）将单层MXene纳米片、可溶性高分子聚合物和有机溶剂混合，搅拌及超声分散均匀，得到稳定的纺丝前驱体溶液；

（4）将步骤（3）制备的纺丝前驱体溶液经静电纺丝成型，得到纳米复合纤维，然后经预氧化和碳化处理，得到含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料；

所述含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料具有豇豆状结构，单层MXene纳米片嵌入在碳纤维中，单层MXene纳米片大小为60～200nm，质量百分含量为20-70wt.%，碳纤维的直径为100～400nm。

2.根据权利要求1所述的一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用，其特征在于：步骤（1）中所述MAX相陶瓷材料为Ti₃AlC₂、Ti₂AlC、Ti₃SiC₂、Ti₂AlN、Nb₄AlC₃、Nb₂AlC、Ta₃AlC₂、V₃AlC₂、V₂AlC中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用，其特征在于：步骤（1）所述盐酸和氟化锂溶液中盐酸的浓度为1~10mol L^-1，氟化锂与球磨预处理后的MAX相陶瓷材料的质量比为1~5: 1；所述刻蚀处理的时间为12~36h；步骤（2）中所述超声剥离的超声时间为1~6h。

4.根据权利要求1所述的一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用，其特征在于：步骤（3）中所述可溶性高分子聚合物为聚丙烯腈、废旧腈纶毛线、聚对苯二甲酸、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚丙烯中的至少一种；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、吡啶、六氟异丙醇、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、氯仿中的一种或两种以上的混合。

5.根据权利要求1所述的一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用，其特征在于：步骤（3）中所述纺丝前驱体溶液中单层MXene纳米片的百分含量为2-5wt.%，可溶性高分子聚合物的百分含量为1.5-15wt.%。

6.根据权利要求1所述的一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用，其特征在于：步骤（4）中所述预氧化的升温速率为1~8℃/min，预氧化温度为100~400℃，预氧化时间为1~5h；所述碳化的升温速率为1~8℃/min，碳化温度为400~1000℃，碳化时间为2~10h。

7.根据权利要求1所述的一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用，其特征在于，应用过程为：将所述含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料与碳黑和PVDF充分混合后加入NMP搅拌均匀制浆，再涂布于铜箔上，得到钾离子电池负极。