[发明专利]一种空心MXenes基金属氧化物复合材料其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种空心MXenes基金属氧化物复合材料，成分为V₂CT_x MXenes、还原氧化石墨烯和金属氧化物。V₂CT_x MXenes通过基底材料经刻蚀剂、扩层剂和离子液体处理所得；还原氧化石墨烯为中间层材料，起连接、抑制堆叠和诱导生长的作用；金属氧化物NiMoO₄的形貌为花瓣褶皱状结构，提供赝电容；复合材料的微观形貌具有碳壳“包埋”的空心结构。其制备方法的关键技术为：采用非恒定离心条件和离子液体调控微观形貌。作为超级电容器的应用，在‑0.2‑0.35V范围内充放电，在放电电流密度为1 A/g时，比电容为1000‑1100 F/g；在10 A/g的电流密度下经过3000次循环以后比电容性能仍可达到原来的88‑89%。且具有优异的电化学特性和化学稳定性。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种空心MXenes基金属氧化物复合材料及其制备方法在超级电容器领域的应用。

背景技术

由于化石燃料的不可再生性，使能源面临枯竭的威胁。化石燃料的大量消耗而造成的温室效应席卷全球，环境污染日益严重。开发和利用清洁能源，提高能量存储技术成为解决当今社会共同关注的问题的重要目标。清洁可再生能源如风能，水能，氢能，太阳能等由于受自然界影响严重，导致这些能源的使用具有间歇性和分散性。受外因的影响，这些能源转化效率低且不稳定，通常不能直接被人类所利用，必须要借助于储能元件对其进行收集与传输。在实际应用中，存储能量高并且可以短时间内释放能量是一般的储能器件都很难达到。超级电容器作为介于充电电池与传统电容器之间的新一代储能器件，既具有高于充电电池的功率密度，又具有高于传统电容器的能量密度，充电速度快，与其它储能器件相比具有循环寿命长，功率密度高，适应温区范围宽，对环境无污染等特点，近几年来颇受关注。

二维过渡金属碳化物或氮化物（MXenes）作为继石墨烯之后的新型热点二维材料，它具有优异的亲水性，高的比容量，高导电率以及高比表面积等优势，已被证明是一种新型且高效的电极材料的最佳候选材料。

MXenes制备原理为利用M-A原子层之间的金属键作用力小于M-X 的共价键，通过选择性刻蚀去除 MAX 相中的 A 原子层而获得的层状材料，其中M代表过渡金属元素，例如Ti、V、Nb、Mo等；X为C或者N；A代表IIIA或IVA族元素，例如Al。具体方法为，通过陶瓷相MAX经过HF或LiF/HCl选择性刻蚀制得，一般表达为Mn₊₁X_nT_x （n取值为1-3），其中，T代表表面基团，例如-O，-OH，-F以及NH⁴⁺等。

MXenes中Ti₃C₂T_x MXenes最早被制备成功，因此，目前的现有研究主要集中在Ti₃C₂T_x MXenes材料领域。然而，通过理论计算与实验测试表明，V₂CT_x MXene在某些领域具有更好的性能。但是V₂CT_x MXenes类材料存在一个最严重的问题，就是材料结构不稳定，导致V₂CT_x MXenes材料在实际应用中的性能并不能满足应用要求。