[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

说明书

本发明属于复合材料领域，公开了一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料及制备和应用。将微米级MAX相陶瓷材料经高能球磨预处理和刻蚀处理，得到二维层状MXene，超声剥离，得到单层MXene纳米片；将单层MXene纳米片、可溶性高分子聚合物和有机溶剂混合，得到纺丝前驱体溶液，静电纺丝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。本发明材料有着独特的结构优势，所得单层MXene纳米片能够很好地嵌入碳纤维中，所得复合材料导电性好、比表面积大，且能有效缩短钾离子/电子扩散路径。应用于钾离子电池负极材料具有比容量高、长周期循环性能好和倍率性能优异等特点。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料及制备和应用。

背景技术

随着现代社会的不断发展以及传统化石能源带来的生态环境的日益恶化，人们对寿命长、成本低的电化学储能装置给予了极大的关注。商业化的锂离子电池(LIB)已经越来越广泛的应用在能量便携设备等方面。然而，有限的锂资源和过高的价格限制了LIB在大规模储能系统中的进一步应用。因此，开发低成本、高安全性和优异性能的储能装置就显得尤为必要。与锂离子电池相比，钾离子电池(PIB)有着更多的优势，如价格低廉、储量丰富以及氧化还原电位较低，这便意味着PIB的放电电压平稳性和能量密度均高于LIB。因此，开发具有能量密度高且循环寿命长的钾离子电池具有重大意义。

遗憾的是，常用的碳类负极材料具有较差的速率能力，导致容量偏低，难以满足高容量、大倍率和长寿命的要求。在追求高能量和高功率密度的过程中，一类新型的材料“MXene”，由层状过渡金属碳化物或氮化物组成，由于其独特的二维层状结构、丰富的表面官能团和良好的金属导电性，因此具有较高的理论比容量和倍率性能，已成为一种用于新概念能量储存设备热门的电极材料。然而，受现有MXene合成制备工艺限制，所制备MXene的尺寸分布较宽，加之MXene片层自支撑能力较弱，以及二维MXene纳米片不管是在储存或是在制作电极时都会发生堆坨和团聚的问题，使比表面和暴露的活性位点数量下降，从而限制了其电化学性能。因此找到一种科学有效的策略，开发出高性能的MXene基钾离子电池具有十分重要的意义。为了解决这些问题，将二维MXene材料进行分层剥离后与有机、无机材料复合，使它们在性能上取长补短产生协同效应从而使复合材料性能优于MXene材料。

碳纤维一直是一类优异的钾离子电池负极材料，可以与钾离子进行多步脱嵌反应最终结合生成KC₈，同时碳纤维的高比表面积可以很好地容纳MXene纳米片的存在，从而成为与MXene材料复合的上上之选。但由于MXene剥离分层之后依旧片层尺寸较大，使之很难嵌入到碳纤维中，从而不能起到抑制MXene片团聚的目的。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料的制备方法。本发明方法利用陶瓷和高分子聚合物为原料，采用高能球磨辅助法和简单的静电纺丝工艺，合成一种含有单层MXene纳米片的碳纤维复合材料。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料。所得材料具有像豇豆状一样独特的结构特点，碳纤维把单片MXene紧紧包覆着从而起到抑制MXene纳米片团聚的目的。

本发明的再一目的在于提供上述含单层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。MXene与碳纤维的协同效应为离子传输提供了一条稳定的通道，有利于钾离子在其中进行快速扩散和脱嵌，从而使该复合材料性能优于单纯MXene材料。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种含单层MXene纳米片的碳纤维复合材料的制备方法，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；