[发明专利]金属酞菁-MXene复合材料、超级电容器及其制备方法有效

专利信息
申请号: 202010486113.2 申请日: 2020-06-01
公开(公告)号: CN111763213B 公开(公告)日: 2021-07-06
发明(设计)人: 许宗祥;李敏章 申请(专利权)人: 南方科技大学
主分类号: C07D487/22 分类号: C07D487/22;H01G11/30;H01G11/86
代理公司: 北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙) 11201 代理人: 肖阳
地址: 518055 广东省*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 金属 mxene 复合材料 超级 电容器 及其 制备 方法
【说明书】:

发明公开了金属酞菁‑MXene复合材料及其制备方法和应用。其中,制备金属酞菁‑MXene复合材料的方法包括:(1)将金属酞菁与第一溶剂混合,得到金属酞菁溶液;将所述金属酞菁溶液加入到水中,得到金属酞菁纳米结构;(2)将所述金属酞菁纳米结构、MXene材料与第二溶剂混合,得到所述金属酞菁‑MXene复合材料。该方法工艺过程简单且重复性好,所采用的材料合成简易、价格低廉、易于规模制备,有利于实现材料及器件的商业化。通过采用该方法,可以在MXene层之间引入金属酞菁纳米结构充当层间间隔物,从而有效防止MXene的重新堆叠效应,增加MXene表面上的电化学活性位点,对于电化学氧化还原过程中的离子迁移率也有显著增强效果,进而可以改善对电荷存储的电化学响应。

技术领域

本发明涉及电化学领域,具体而言,本发明涉及金属酞菁-MXene复合材料及其制备方法,以及应用该金属酞菁-MXene复合材料的超级电容器及其制备方法。

背景技术

由于世界人口的不断增长,各种能源的消耗已导致不可再生能源的逐步减少。电化学储能设备,尤其是超级电容器(supercapacitor)(又称为电化学电容器,electrochemical capacitor),是电动汽车、电力部门和便携式电子产品等众多应用的理想选择,因其具有较长的循环寿命、高功率密度、高能量密度、温度特性好和绿色环保等特点。因此,研究人员着重于寻找用于高性能储能和转换设备的新型候选材料。

近年来,金属酞菁(metal-based phthalocyanines)在电化学应用中受到了广泛的关注,如超级电容器,传感器等。金属酞菁是一类化学结构由四个异吲哚单元组成的有机半导体化合物,其结构有很大的可调节性,通过引入不同外围或非外围取代基或改变中心金属可以使其拥有不同的性能。酞菁环与金属中心的相互作用可以提高载流子的传输速率,从而使其在储能和能量转换系统中表现出优异的物理化学性能,如高的电荷迁移率和氧化还原特性。目前,只有少数几种金属基酞菁被用作电化学电容器的电极材料,包括镍,铜,铁和钴。其中,八甲基取代的金属酞菁及其相关衍生物是化学和热稳定的电极材料,在对称超级电容器中表现出优异的循环稳定性。但是,金属酞菁材料相对较低的电导率会降低氧化还原过程中的电子传输速率,使制备的电容器只有较低的比电容和能量密度,从而限制了其在实际中的应用。增强金属酞菁电极材料氧化还原特性的方法之一是与导电材料复合,例如碳纳米管或二维(2D)石墨烯,以及最近开发的过渡金属碳化物(MXene)。然而,现有的MXene材料仍有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现而提出的:

MXene是一类新型的具有导电性的二维过渡金属碳化物,已在各种应用中引起了研究者的广泛关注。MXene具有表面亲水性、高导电性、出色的机械性能和柔韧性,因此被视作替代碳材料的有前途的候选材料,尤其是用于电化学能量存储的石墨烯,实际应用包括超级电容器和金属离子电池等。然而,与石墨烯类似,由于层与层之间强烈的范德华相互作用,MXene片极易堆积和聚集,这就可能会限制电解质离子渗透到MXene层与层之间的缝隙中,最终导致器件的电化学性能劣化。

进而,发明人通过深入研究,发现在MXene层之间引入类似纳米粒子的层间间隔物可有效防止重新堆叠效应,可以增加MXene表面上的电化学活性位点。金属酞菁具有18-π芳香族电子云,可以通过π-π相互作用轻松地与MXene配位并改善对电荷存储的电化学响应。通过将金属酞菁材料的一维纳米结构添加到MXene片材中,对于电化学氧化还原过程中的离子迁移率有显著增强效果。因此,通过筛选优化金属酞菁材料及其与MXene复合材料的制备是未来高性能超级电容器的发展方向之一。开发经济高效的器件是立足长远,实现超级电容器行业可持续发展,造福人类未来的必由之路。

有鉴于此,在本发明的一个方面,本发明提出了一种制备金属酞菁-MXene复合材料的方法。根据本发明的实施例,该方法包括:(1)将金属酞菁与第一溶剂混合,得到金属酞菁溶液;将所述金属酞菁溶液加入到水中,得到金属酞菁纳米结构;(2)将所述金属酞菁纳米结构、MXene材料与第二溶剂混合,得到所述金属酞菁-MXene复合材料。

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