[发明专利]一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用。原料包括硅镁合金Mg₂Si、二氧化碳、MXene，MXene@碳@多孔硅材料的结构为碳包覆在多孔硅的外表面，碳和多孔硅的复合体嵌入Mxene的层间距中。将硅镁合金Mg₂Si作为前驱体，与二氧化碳气体反应得到产物，产物进行酸洗，得到碳@多孔硅材料。与MXene复合，得到MXene@碳@多孔硅材料。产物电学性能好，碳包覆层均匀，厚度可控。

技术领域

本发明属于碳碳复合材料技术领域，具体涉及一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

硅碳复合材料具有导电性好、延展性好、密度小、适应体积变化等优点，因此被认为是与硅基材料复合的最佳材料。

常见的硅碳复合材料的制备方法有：采用机械混合和原位还原的方法制备出纳米硅和石墨烯的复合物；采用喷雾干燥将技术将纳米硅和石墨烯复合；采用气相沉积对硅进行包覆等等。专利CN 108493412 A以二氧化硅为前驱体原料，通过镁热还原制备出多孔硅，再通过酸洗中间产物并结合溶液蒸发与碳化方法包碳，最终得到多孔硅碳复合负极材料。这种方法得到的碳包覆层不均匀，并且包覆层厚度不可控。此外，该方法需要两次加热到高温，使得到的复合材料中硅被部分氧化，产物纯度降低。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种MXene@碳@多孔硅材料，原料包括硅镁合金Mg₂Si、二氧化碳、MXene，MXene@碳@多孔硅材料的结构为碳包覆在多孔硅的外表面，碳和多孔硅的复合体嵌入Mxene的层间距中。

二氧化碳与硅镁合金反应得到碳包覆多孔硅，包覆后的产物与MXene复合，包覆后的产物嵌入MXene的层间距中，形成嵌合的结构，所得到的复合材料具有较好的导电性和较高的比表面，碳包覆层的厚度适宜。

在一些实施例中，Mxene为Ti₃C₂、Ti₂C、Ta₄C₃、TiNbC、(V_0.5Cr_0.5)₃C₂、V₂C、Nb₂C、Nb₄C₃、Ti₃CN中的一种或两种以上的混合物。

第二方面，上述MXene@碳@多孔硅材料中的碳@多孔硅材料的制备方法，所述方法为：将硅镁合金Mg₂Si作为前驱体，与二氧化碳气体反应得到产物，产物进行酸洗，得到碳@多孔硅材料。

本发明的反应是经过一次高温处理的制备过程，硅镁合金和二氧化碳一次高温反应得到氧化镁和碳的中间体，经过酸洗之后洗掉副产物氧化镁，碳包覆在多孔硅的表面。与现有的镁热还原法技术方案是不同，而且高温次数只有一次，同时，现有的镁热还原法不同，镁热还原法不能直接包覆碳，所以无法控制碳包覆层的厚度，本发明中通过控制反应的温度和时间可以控制碳包覆层的厚度，得到的碳包覆层更均匀。

上述MXene@碳@多孔硅材料的制备方法，所述方法为：将碳包覆多孔硅与MXene常温下搅拌复合，得到MXene@碳@多孔硅材料。