[发明专利]一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用。包括Nb₂C和氮掺杂碳纳米管(N‑CNT)，Nb₂C为二维风琴状，N‑CNT夹在Nb₂C片层之间。提高了Nb₂C的导电能力，N‑CNT的插入，避免了Nb₂C片层结构之间的堆叠，N‑CNT提高了Nb₂C的离子传输能力，提高了电化学反应面积。制备方法为：Nb₂AlC经过刻蚀后得到Nb₂C；Nb₂C分散到水中后得到Nb₂C胶体溶液；N‑CNT溶液与Nb₂C胶体溶液混合进行自组装反应，得到三明治结构复合材料。具有优异的电学性能。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

电池等储能器件在移动设备中起着重要作用。包括锂、钠、钾离子电池在内的碱金属离子电池作为可二次充电电池被广泛地研究。它们的储能机理类似于摇椅电池，其中锂、钠、钾离子在正负极两端不断插入脱出。锂离子电池的开路电压高，能量密度和功率较大，但锂金属本身价格昂贵，在地壳中的储量较少，制约着它的发展。钠和钾金属储量丰富，价格便宜，有潜力作为下一代电池的负极材料。但它们的开路电压较低，离子半径较大，所以很难找到合适的电极材料。而且，所有碱金属电池都受到枝晶生长的影响，会带来严重的性能下降和安全隐患。

石墨烯等二维材料的成功制备为寻找可充电电池合适的电极材料打开了新的思路。与一维和三维材料相比，二维材料可以有更多离子通道和巨大的比表面积，为反应提供了大量活性位点和离子储存空间，因此作为离子电池材料其电化学性能优良。最近，一种新的二维材料MXene引起了广泛关注。这是一种过渡金属的碳化物或氮化物，是由陶瓷MAX相进行选择性刻蚀掉其中的Al层制备得到的。M_n+1X_nT_x是其化学通式，其中M代表Ti,Nb,V,Cr,Mo等过渡金属元素，n＝1,2,或3.X＝C或N,T代表O,OH,F,Cl,S等末端基团。MXene材料的性质与石墨烯类似，其导电性良好。由于末端基团丰富，它与不同溶剂之间的融合性较好，但端基的存在也会对其导电性有一定损害。MXene导电能力较弱，该材料的片层容易在范德华力作用下再次堆叠，阻碍离子传输，减少了电化学反应面积。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种三明治结构复合材料及其制备方法和应用。通过MXene和碳纳米管复合，改善了MXene导电能力较弱的缺点。在MXene的片层之间装入碳纳米管，作为间隔物质，为材料提供了更多离子传输和储存位置，使得钾离子等半径较大的离子也可以轻松插入其中。碳纳米管的氮掺杂过程可以在其管壁上加入外在缺陷，促进碱金属离子进入管内并为其增加存储空间。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种三明治结构复合材料(N-CNT@MXene)，包括Nb₂C和氮掺杂碳纳米管(N-CNT)，Nb₂C为二维风琴状，N-CNT夹在Nb₂C片层之间。

Nb₂C为Nb₂AlC将Al层刻蚀之后得到的二维风琴状，二维风琴状为通过扫描电镜可以看到其具有多个片层间隔的形状，然后N-CNT插入片层间隔中，形成了三明治结构复合材料。N-CNT提高了Nb₂C的导电能力，N-CNT的插入，避免了Nb₂C片层结构之间的堆叠，N-CNT提高了Nb₂C的离子传输能力，提高了电化学反应面积。