[发明专利]MXene与碳纳米管的复合空心纳米球及其自催化制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米复合材料领域，具体涉及一种MXene与碳纳米管的复合空心纳米球及其自催化制备方法和应用。该方法包括以下步骤：以带正电的三聚氰胺甲醛树脂(MF)微球作为模板，通过静电相互作用将带负电的MXene纳米片包覆到MF微球上，制备得到三聚氰胺甲醛树脂与MXene的复合纳米微球，再利用浸渍法将钴离子负载到三聚氰胺甲醛树脂与MXene的复合纳米微球上，最后高温煅烧除去三聚氰胺甲醛树脂，得到MXene与碳纳米管的复合空心纳米球。在高温煅烧过程中，MF分解产物以钴纳米粒子作为催化剂，通过化学气相沉积法，生成碳纳米管，从而得到MXene‑CNT空心纳米球。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料领域，具体涉及一种MXene与碳纳米管的复合空心纳米球及其自催化制备方法和应用。

背景技术

MXene是一种新型的二维纳米材料，它是通过选择性刻蚀三维层状化合物MAX(其中M代表前过渡金属元素，A代表Ⅲ、Ⅳ主族元素，X代表碳或氮元素)中的A原子层而得到。MXene具有巨大的比表面积以及其他多种优良的性质，使其在电化学应用方面有着非常大的潜力，但其电化学性能并没有被完全地开发出来，主要原因就是MXene具有巨大的表面能，因而片层之间十分容易发生堆叠现象，使得其比表面积下降，严重限制了其电化学性能。

自1991年发现以来，碳纳米管(碳纳米管)由于其前所未有的物理和化学性质，在许多领域产生了巨大的影响。由于具有超高的机械性能、热稳定性、比表面积和电化学性能，这些性质使得碳纳米管在催化、超级电容器、气体传感器和化学分离及检测等方面的应用具有广泛的前景，但其存在着易团聚，难分散的缺点。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种MXene与碳纳米管(CNT)的复合空心纳米球及其自催化制备方法和应用。本发明通过以二维纳米材料MXene构筑的三维纳米空心球为基底，在其表面修饰Co纳米粒子，并通过Co纳米粒子的催化作用在MXene表面原位生长出CNT，这样可以防止MXene和CNT的团聚，增大MXene-CNT的比表面积、电化学活性位点、电子传输能力。

本发明所提供的技术方案如下：

一种MXene与碳纳米管的复合空心纳米球的自催化制备方法，包括以下步骤：以带正电的三聚氰胺甲醛树脂(MF)微球作为模板，通过静电相互作用将带负电的MXene纳米片包覆到MF微球上，制备得到三聚氰胺甲醛树脂与MXene的复合纳米微球，再利用浸渍法将钴离子负载到三聚氰胺甲醛树脂与MXene的复合纳米微球上，最后高温煅烧除去三聚氰胺甲醛树脂，得到MXene与碳纳米管的复合空心纳米球。

基于上述技术方案，在得到负载了钴离子的三聚氰胺甲醛树脂与MXene的复合纳米微球后，在高温煅烧过程中，钴离子被还原成钴纳米粒子。接着以MF微球作为碳源，以钴纳米粒子作为催化剂，通过化学气相沉积法，长出碳纳米管(CNT)，从而得到MXene-CNT空心纳米球。

具体的，MXene为Ti₃C₂T_xMXene。

具体的，MXene与碳纳米管的复合空心纳米球的自催化制备方法包括以下步骤：

1)以三聚氰胺和甲醛为单体，柠檬酸为引发剂，PVA为分散剂，在加热条件下制备三聚氰胺甲醛树脂微球，之后离心、纯化并干燥，得到三聚氰胺甲醛树脂微球粉末；

2)以Ti₃C₂Al MAX相陶瓷为原料，通过HCl-LiF体系刻蚀，得到Ti₃C₂T_x MXene纳米片，并分散于去离子水中，得Ti₃C₂T_x MXene胶体溶液；