[发明专利]一种MXene基复合气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种MXene基复合气凝胶的制备方法，包括：将MXene加入去离子水中经超声、搅拌后得到MXene分散液；将功能化的纳米纤维素晶加入MXene分散液中搅拌并进行分子自组装后，再加入聚氨酯继续搅拌并进行化学交联，反应结束后，经液氮冷冻，冰晶的挥发，得到MXene基复合气凝胶；以功能化的纳米纤维素晶作为组装剂和模板，与MXene二维纳米片相分离自组装后，再与水性聚氨酯进行化学交联反应，然后进行定向冷冻干燥操作，得到具有三维定向内部孔道结构的MXene基复合气凝胶材料，MXene基复合气凝胶材料不仅具有超弹的力学性能，而且还具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及功能高分子气凝胶材料领域，具体是一种MXene基复合气凝胶的制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断进步和工业的高速发展，全世界对于能源的需求量呈现爆炸性需求态势。但是，传统的化石燃料储存量有限并且日益枯竭；于此同时，大量的化石燃料在燃烧过程中会产生大量的温室气体和有毒物质，如二氧化碳、一氧化碳和挥发性有机物等，对全球环境造成了不可逆的污染并且使得气候恶化，这对人类的生存造成了极大的影响。因此，科研人员开始寻求可持续和可再生的清洁能源。其中，电化学储能作为新能源技术中的重要研究方向，一直受到科研人员的广泛关注。超级电容器是一种通过表面离子吸附或者表面法拉第反应进行储能的储能器件，具有高的功率密度和长的循环寿命，充放电速度快，因此广泛应用于汽车、储能电站、航空航天等领域。影响超级电容器性能的关键材料是电极材料，因此开发具有高比表面积，电容高和力学性能优异的结构电极一直是科研人员的重点。

近年来，一种新型的二维过渡金属碳化物或氮化物(MXene)得到了研究者广泛的关注。相比于传统的碳材料电极，由于刻蚀引入的表面官能团，如-OH、-F、-O等，使得MXene具备赝电容特性，因此具有较好的电化学性能。特别是，MXene优异的导电性、亲水性、丰富的表面官能团以及高密度等特性使得其成为新一代的能源存储能材料。然而和其他二维纳米材料一样，MXene电极反应大多发生在MXene表面和表面所构筑的界面上，严重的片层堆叠现象制约了其电化学性能，使得和理论相差甚远。因此如何调控和优化MXene的表面及结构，抑制其堆叠，构建出具备优异电化学性能的MXene基电极材料是关键。通过模板法、冷冻、插层等方法可以将堆叠的二维MXene材料转变为三维结构，可以有效抑制其片层的堆叠，增大其比表面积，进而使得MXene电极的电化学性能得到改善。其中气凝胶是一类通过冷冻模板法构建的三维骨架多孔结构的超轻材料，其巨大的比表面积，多孔道结构使得其可以作为优良的电极材料。

到目前为止，很少有报道能够通过凝胶化(例如离子交联、聚合物交联)和冷冻模板法合成MXene气凝胶。目前采用的最多的方法是用石墨烯促进MXene的凝胶化或者复合高分子模板材料定向冻干构建高性能的MXene基气凝胶材料。但是，其机械稳定性差和不规则的三维孔道结构，使得MXene气凝胶的结构耐久性差。此外，模板辅助技术用于构建MXene复合气凝胶，存在较大的大量的模板剂(通常20wt％)会严重降低其电导率，从而导致较差的电化学性能。由于MXene是刚性的2D片层材料，构造具有优异机械性能兼顾杰出电化学功能的多孔三维MXene气凝胶仍然是一个挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MXene基复合气凝胶的制备方法，以解决现有技术中所制得的MXene基复合气凝胶具有较差的机械稳定性以及较差的电化学性能的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种MXene基复合气凝胶的制备方法，包括：

将MXene加入去离子水中经超声、搅拌后得到MXene分散液；

将功能化的纳米纤维素晶加入MXene分散液中搅拌并进行分子自组装后，再加入聚氨酯继续搅拌并进行化学交联，反应结束后，经液氮冷冻，冰晶的挥发，得到MXene基复合气凝胶。