[发明专利]一种改性Ppy-MXene复合材料及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种改性Ppy‑MXene复合材料及制备方法与应用，制备方法为：向MXene分散液中添加吡咯进行聚合反应获得Ppy‑MXene复合材料；将离子液体制备成水包离子液体微乳液；将水包离子液体微乳液与Ppy‑MXene复合材料的溶液进行混合，超声处理获得改性Ppy‑MXene复合材料。本发明制备的复合材料操作简单高效，原料廉价易得，无需复杂设备，在宽温度范围内具有优异的倍率性能和循环寿命。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，涉及超级电容器电极材料的制备，具体涉及一种改性Ppy-MXene复合材料及制备方法与应用。

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。

随着科技的发展和社会的进步，各个方面包括消费电子产品、交通、工业用电和电网储能等都对能源提出了更高的需求，但是全球能源危机与环境问题日趋严峻，因此开发清洁、高效和可持续的绿色能源已成为重大研究课题之一。然而，水能、风能、太阳能等天然能源受自然界影响大，通常不能被人类高效利用，基于电化学能量转换和存储的工作原理，锂离子电池和超级电容器被认为是最有前途的新一代储能设备，其能够有效地促进可持续能源的发展并减少对环境的不利影响。不过，锂离子电池虽然具有高能量密度但是价格昂贵，且存在循环使用过程中锂枝晶生长造成安全事故的问题，超级电容器可以进行快速、高效地充放电，而且安全性高，具有长循环寿命，但是能量密度低成为限制其进一步发展的关键问题。因此，为了解决这一问题，从储能器件的设计出发，提高电极材料的电容量以及拓宽电解质材料的电化学稳定窗口可以有效提高超级电容器的能量密度。

二维材料因其具备大比表面积、特殊层状结构和高电导率等优点，在能量转换与存储中引起了广泛的关注。MXenes是一种新型二维过渡金属碳化物或氮化物，自2011年问世以来，以Ti₃C₂T_x为代表的MXenes在能源储存、电磁屏蔽、催化领域、生物环境等领域都得到了广泛的应用，这是由它独特而又丰富的性质决定的。表面丰富官能团的存在使得它具有良好的亲水性和简单可调的化学性质，导电碳层和过渡金属原子层的结合使得它具有像金属一样的导电性，这显著优于一般的碳材料。但是，与其他的二维材料一样，由于面与面之间强的范德华作用力，MXene纳米片易发生严重的堆叠和聚集问题，使得它的可达表面积降低，导致活性位点的大量损失，同时阻碍了电解液离子的快速传输，从而严重制约了其电化学性能的表达。

现有的解决方案主要包括两大类，其一是在制备过程中引入插层剂或层间间隔剂构筑MXenes杂化材料，例如碱金属离子、碱土金属离子、导电聚合物分子等；其二是在组装过程中利用一些模板或技术手段使MXenes发生有序或无序的自组装形成三维宏观结构，例如乳液模板、冰模板以及静电纺丝、3D打印等技术。由于成本低、环境稳定性高、掺杂态高电导率以及高的比容量，聚吡咯、聚苯胺等导电聚合物已经被广泛地用作赝电容电极材料以提高储能装置的电化学性能，但是纯的导电聚合物在聚合过程中易发生团聚，严重阻碍了电解质离子的扩散，同时由于在离子的插层、脱插层过程中存在膨胀收缩行为，导致其循环稳定性差。MXenes本身的比质量容量低，而定向排列的聚合物可以扩大MXenes的层间距促进电荷传输，因此将两者进行结合可以同时实现PPy在MXenes层间的插层、定向排列和聚合，显著提高了材料的比质量、比体积容量和循环寿命。

然而，发明人研究发现，仅将导电聚合物与MXenes结合存在应用温度范围窄、倍率性能和循环性能有待提高等问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种改性Ppy-MXene复合材料及制备方法与应用，本发明制备的复合材料操作简单高效，原料廉价易得，无需复杂设备，在宽温度范围内具有优异的倍率性能和循环寿命。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：