[发明专利]一种高密度HATN@MXene柔性自支撑薄膜电极的制备方法及其应用

说明书

本发明是一种高密度HATN@MXene柔性自支撑薄膜电极的制备方法及其应用，制备方法包括如下步骤：通过脱水缩合制备得到纳米棒状的HATN；制备MXene纳米片分散液；接着将纳米棒状的HATN加入到MXene纳米片分散液中，在超声作用下得到混合分散溶液；最后通过真空抽滤得到高密度HATN@MXene柔性自支撑薄膜电极。本发明制备过程操作简单，成本低廉，制备的薄膜电极具有环境友好、良好的柔韧性、高振实密度、以及优异的电化学性能等特点，可广泛用于水系电池、超级电容器或柔性储能设备等领域。

技术领域

本发明涉及柔性电极的制备方法和应用，具体的说是涉及一种高密度HATN@MXene柔性自支撑薄膜电极的制备方法及其应用。

背景技术

随着智能技术的不断发展，可穿戴电子设备逐渐出现在各个领域，将成为未来智能产品发展的主流趋势。然而，目前发展可穿戴设备最大的挑战之一就是与之相适应的柔性储能器件。电极材料是决定柔性储能器件性能表现的关键因素。其中，自支撑薄膜电极材料作为柔性储能器件中的重要组成部分，得到了科研工作者的广泛关注并成为研究重点。目前，自支撑薄膜电极的制备方法主要有原位生长法、涂覆法以及真空抽滤法。与原位生长法和涂覆法相比，真空抽滤法可制备出独立可支撑的薄膜，无需使用额外的导电剂和粘结剂，可充分利用电极中的活性材料，使得整体电极的体积比容量能够得到有效的提高。

作为一种吩嗪的衍生物，六氮杂三萘（HATN）是含有亚氨基的π共轭芳香族有机化合物，其丰富的C=N活性反应基团能够在电化学过程中可逆地得失电子，具有较高的氧化还原活性。此外，HATN具有成本低、环境友好、以及结构设计灵活等诸多优势。然而，同多数有机化合物一样，HATN的电子导电性较低以及振实密度不足，限制了其在电极材料中的实际应用。

MXene是一种基于过渡金属碳（氮）化物的二维纳米材料，展现出良好的力学稳定性，高的体积密度，以及优越的电子电导率（1000~6500 S/cm），在柔性储能器件领域有着重要的应用潜力。研究报道表明将适当比例的有机物与MXene复合，构建三维层状导电网络结构，不仅可显著提高其电子导电性以及振实密度，同时可保证复合材料具有稳定的力学性能。然而，目前将HATN与MXene复合构建柔性自支撑薄膜电极的研究还未报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高密度HATN@MXene柔性自支撑薄膜电极的制备方法，得到了高密度、柔性化、以及导电性优良的薄膜电极，HATN作为电极活性材料，提供了丰富的氧化还原基团，以及较高的电化学反应活性；MXene具有良好的导电性和优异的机械性能，通过真空抽滤法，将HATN与MXene相互结合构建三维层状导电网络结构，制备高密度柔性自支撑薄膜电极。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种高密度HATN@MXene柔性自支撑薄膜电极的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一、纳米棒状HATN的制备：采用脱水缩合的方法，得到HATN。取0.6g六酮环己烷，在均匀搅拌下，溶于50mL乙酸中；然后向其中加入0.75g的邻苯二胺，将所得溶液在120℃条件下进行回流加热10h；反应完成后，将悬浮液进行真空过滤，并依次使用热乙酸、丙酮、甲醇、乙醇和水分别洗涤数次；最后，在50℃条件下真空干燥得到HATN粉末。

步骤二、MXene纳米片分散液的制备：将1.8g氟化锂缓慢溶于25mL的浓度为9M的盐酸中，搅拌10分钟，缓慢加入2g Ti₃AlC₂，在35℃条件下搅拌20小时，得到充分反应后的混合溶液；然后用去离子水洗涤离心，离心转速为3600转每分钟，每次离心7分钟，离心5次，使溶液的PH大于6；收集沉淀，溶于100mL水中，在氩气保护的氛围下，超声3个小时；最后在3500转每分钟的速率下离心一小时，得到浓度为5 mg/mL的MXene纳米片分散液。