[发明专利]多级结构MXene@双活化杉木复合材料电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及多级结构MXene@双活化杉木复合材料电极及其制备方法和应用，杉木具有垂直孔道的多孔结构，有利于离子电子的传输，采用KOH、ZnCl₂溶液两步活化法得到具有多级孔道结构的活性炭，提高比表面积，再通过浸渍MXene纳米片，制备得到一种用于超级电容器的具有高面电容、良好倍率性能和循环性能的多级结构MXene@双活化杉木电极。

技术领域

本发明属于碳材料储能以及新材料技术领域，具体涉及一种多级结构MXene@双活化杉木复合材料电极的制备方法和使用该电极组装的超级电容器。

背景技术

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发清洁、可持续的能源来代替化石燃料迫在眉睫。随着由风能、太阳能、潮汐能等可再生能源所产生的的电能被应用在社会生产的各个领域，人们对电能的快速存储提出更高要求，超级电容器以其高功率密度、极短充电时间、超长的循环寿命和强环保性能等特点在能量存储领域受到了广泛关注。当前，在保持高功率密度的同时，进一步提升期间的能量密度和循环稳定性，仍是解决冲击电容器实际应用问题面临的主要挑战。因此，亟需围绕设计调控材料组成、构建特殊纳米结构、合理匹配正负极材料等展开研究，探索多级结构材料，在维持高功率密度和长循环寿命的同时，开发具有高倍率性能和能量密度的电极材料。

到目前为止，已经有很多关于制备新兴电极材料来提高超级电容器性能的报道，但相比之下，很少有人保留天然木材原有的结构。天然杉木不仅产量丰富、可再生，碳化后仍能保持垂直孔道结构，电极材料结构的设计，对于活性物质发挥作用、电子和离子实现高速传输发挥着至关重要的作用。MXene是一种类似于石墨烯的二维层状三元碳化物/氮化物纳米导电材料，具有金属级别的优良导电性能（约2~6×105 S/m）和突出的理论容量。本发明采用KOH、ZnCl₂溶液两步活化法得到具有多级孔道结构的活性炭，提高比表面积，再通过浸渍MXene纳米片，制备多级结构MXene@双活化杉木电极，得到具有高面电容、良好倍率性能和循环性能的超级电容器。

发明内容

针对上述现有的技术中存在的不足或者研究内容的不完善的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于超级电容器的多级结构MXene@双活化杉木复合材料及其制备方法和应用，选择了具有垂直孔道结构的杉木进行碳化后采用两步活化法对其进行活化，并通过真空浸渍方式包覆MXene纳米片，得到具有多级结构的MXene@双活化杉木复合材料电极。杉木具有垂直孔道的多孔结构，有利于离子电子的传输，采用KOH、ZnCl₂溶液两步活化法得到具有多级孔道结构的活性炭，提高比表面积，再通过浸渍MXene纳米片，制备得到一种用于超级电容器的具有高面电容、良好倍率性能和循环性能的多级结构MXene@双活化杉木电极。

为实现上述目的，本发明一个方面提供了多级结构MXene@双活化杉木复合材料电极的制备方法，对天然木材进行切割、碳化、两步活化处理，通过浸渍MXene纳米片对所制备的活性炭进行包覆。

作为本发明的进一步优选，所述的切割为将天然杉木进行切片处理，垂直于杉木生长的方向切成薄片形状；所述的碳化为在烘箱中烘干后在氩气范围下于管式炉进行高温处理，待管式炉降温至室温后，取出得到。

作为本发明的进一步优选，所述的两步活化处理的第一步为：通过将碳化后杉木真空浸渍于KOH溶液后真空干燥取出，在氩气范围下于管式炉进行高温处理，待管式炉降温至室温后，取出进行酸洗、水洗，干燥待用。

作为本发明的进一步优选，所述的两步活化法第二步为：通过将KOH活化后的木头真空浸渍于ZnCl₂溶液中后真空干燥取出，在氩气范围下于管式炉高温处理，待管式炉降温至室温后，取出进行酸洗、水洗，干燥待用。

作为本发明的进一步优选，浸渍MXene纳米片对所制备的活性炭进行包覆的过程为通过在真空烘箱中用MXene水分散液渗透两步活化后的活性炭，然后将其放置在铜盘上，在液氮中预冷冷冻，然后冻干机上冻干，多级结构MXene@双活化杉木复合材料电极。