[发明专利]一种掺氮碳纳米片/MXene复合纳米材料、其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种掺氮碳纳米片/MXene复合纳米材料、其制备方法和用途。所述复合纳米材料中，碳纳米片与MXene形成穿插式片层状结构，氮元素掺杂于碳纳米片和MXene中。针对现有技术中MXene纳米片的堆叠和积聚，使得电化学性能不能被充分利用的问题。本发明所述复合材料能够有效克服MXene自身堆叠和积聚的缺陷，大大提高了电池的循环稳定性；而且增加了MXene片层间距明显的氧化还原反应和赝电容活性位点，提高了超级电容器的比容量，除此之外，本发明所述复合材料的制备工艺简单，有利于工业上实践。

技术领域

本发明属于电化学能源技术领域，具体涉及一种掺氮碳纳米片/MXene复合纳米材料、其制备方法和用途。

背景技术

基于目前便携式电子和微电子设备急速发展，出现了各式能量存储技术。其中，由于高功率密度，快速充放电和较长的循环寿命，灵活的电化学电容器(也称为超级电容器)具有商业化的极大潜力。超级电容器通过高比表面积的电极材料表面吸收电解液中的离子来储存电化学能量，因此，相比于电池，它可以在短时间内存储和传输大量电荷。制作超级电容器电极片的主要挑战之一是极佳的机械柔韧性，另一个挑战是增加整个电容器的能量密度。

MXene作为一种新型的二维材料，逐渐成为一种超级电容器电容材料的新的选择。相较于其他二维材料，MXene富含氧的表面基团，并具有极高的体积比容量，从而有效提高了能量密度。但是，MXene具有同于其他二维纳米材料的缺点，所以会导致MXene纳米片的堆叠和积聚，使得电化学性能不能被充分利用。

CN106328890B公开了一种碳柱撑MXene复合材料及其应用，该碳柱撑MXene复合材料包括二维层状MXene载体以及负载在MXene层间的碳纳米片；其制备方法包括如下步骤：(1)取MAX原材料，在HF溶液中处理得到MXene材料；(2)将步骤(1)得到的MXene材料浸泡在阳离子型碳前驱体含量为0.005～20g/mL的溶液中，于30～100℃下搅拌0.5～72h，然后离心、水洗、干燥得到预柱撑MXene材料；(3)将预柱撑MXene材料在保护气氛下以2～10℃/min的速率升温至300～800℃，保温煅烧处理0.5～4h，得到碳柱撑MXene材料。但是所述方法得到的MXene材料容易自身堆叠，电化学性能较差。

因此，本领域需要开发出一种新型MXene复合材料，其能够克服MXene自身堆叠和积聚的缺陷，制备得到的电池具有较好的循环稳定性

发明内容

针对现有技术中MXene纳米片的堆叠和积聚，使得电化学性能不能被充分利用的问题。本发明的目的在于提供一种掺氮碳纳米片/MXene复合纳米材料、其制备方法和用途。所述纳米片/MXene复合纳米材料能够有效克服MXene自身堆叠和积聚的缺陷，大大提高电池的循环稳定性；制备得到的超级电容器具有较高的比容量。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种掺氮碳纳米片/MXene复合纳米材料，所述复合纳米材料中，碳纳米片与MXene形成穿插式片层状结构，氮元素掺杂于碳纳米片和MXene中。

本发明所述复合材料中碳纳米片与MXene形成穿插式片层状结构，由于层状结构的协同作用，有效克服MXene自身堆叠和积聚的缺陷，大大提高了电池的循环稳定性；本发明通过氮掺杂，增加了MXene片层间距明显的氧化还原反应和赝电容活性位点；本发明所述碳纳米片能提高复合电极的比表面积，能够促进电极表面的贋电容特性，提高了超级电容器的比容量。

优选地，所述掺氮碳纳米片/MXene复合纳米材料的片层数为10～30片，例如12片、15片、18片、20片、22片、25片或28片等。

优选地，所述掺氮碳纳米片/MXene复合纳米材料中，氮元素的含量为5～30At％，例如10At％、12At％、15At％、18At％、20At％、25At％或28At％等。