[发明专利]一种碳化钛MXene官能化石墨烯纳米复合材料薄膜制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种碳化钛MXene官能化石墨烯纳米复合材料薄膜制备方法及应用。然而制备高强度和高电导率的石墨烯纳米复合材料薄膜一直以来是一个挑战。为了解决这个问题，采用亲水性和高导电性MXene纳米片，利用Ti‑O‑C共价键去官能化氧化石墨烯，再通过有机分子进行化学交联，制备出超韧性MXene官能化石墨烯纳米复合材料薄膜。引入的MXene纳米片和有机分子不仅减少石墨烯薄膜的孔隙率，也提升了石墨烯纳米片的取向度。因此，由于界面协同作用，制备出石墨烯纳米复合材料薄膜呈现超高韧性42.7MJ m^‑3以及高电导率1329.0S cm^‑1。并且基于此种超韧性和高导电MXene官能化石墨烯纳米复合材料薄膜，组装成柔性超级电容器表现出高体积能量密度和极好的柔性。

技术领域

本发明涉及一种碳化钛MXene官能化石墨烯纳米复合材料薄膜制备方法及其在柔性超级电容器中的应用，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

由于柔性储能装置和便捷、可携带电子设备的迅猛发展，柔性还原氧化石墨烯薄膜已经渐渐被应用于这些领域。然而，由于柔性还原氧化石墨烯薄膜差的力学性能和低导电率一直是有待解决的一个瓶颈，限制了这种材料在许多可移动设备中的广泛应用。例如，研究者们已经将无机材料包括双壁纳米管(Adv. Mater.2012,24,1838-1843)、蒙脱土(J.Mater.Chem.A 2015,3,21194–21200) 以及氧化铝片(Mater.Sci.Eng.C 2009,29,2050-2054)引入到石墨烯层间，利用无机材料与石墨烯之间的界面摩擦力来提高柔性石墨烯复合材料薄膜的力学性能。虽然在制备出的纳米复合复合材料实现高拉伸强度，然而所得到的复合材料韧性仍处于较低的水平。除此之外，研究者们受天然贝壳的启发，采用化学交联并利用氧化石墨烯表面的含氧官能团来提升纳米复合材料的GO层间的界面强度。例如，采用硼酸盐(Adv.Mater.2011,23,3842–3846)、10,12-二十五碳二炔-1-醇(PCDO)(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,1–7)等共价键；Ca²⁺ (Adv.Mater.2016,28,2834-2839)、Zn²⁺(Chem.Commun.2015,51,2671-2674.)、 Mg²⁺(ACSNano 2008,2,572-578)等离子键；热塑性聚氨酯(TPU)(ACSNano 2015,9,708-714)、多巴胺(PDA)(ACSNano 2014,8,9511-9517)等π-π共轭堆积作用以及聚乙烯醇(PVA)(Adv.Mater.2012,24,3426-3431)、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(Adv.Funct.Mater.2010,20,3322-3329)等氢键一种碳化钛或多种价键界面协同作用来促进石墨烯基纳米复合材料的力学性能提升。尽管这些方法显著提高了纳米复合材料的机械强度，然而制备出的还原氧化石墨烯纳米复合材料往往伴随着韧性和电导率的降低。因此，制备兼具高力学性能和高导电率的石墨烯纳米复合材料薄膜的方法一直以来都是一个巨大的挑战！

二维材料碳化钛过渡金属纳米片MXene(Ti₃C₂T_x)由于其高导电率、高比表面积、极好的电化学性能以及良好的力学性能，逐渐的被广泛关注和研究。 MXene纳米片表面具有大量的官能团T_x，如氢基(OH)、含氧基(O)以及含氟基(F)。因此，这些官能团的存在促使MXene可以被用来官能化氧化石墨烯纳米片(GO)制备相应的纳米复合材料薄膜。