[发明专利]一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)嵌段聚合物自组装：本发明先采用聚环氧乙烷‑嵌段‑聚环氧丙烷‑嵌段‑聚环氧乙烷PEO₂₀‑b‑PPO₇₀‑b‑PEO₂₀三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板；(2)柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片mPDA/MXene的制备。本发明还提供上述的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料在CDI电池的应用。本发明以P123为软模板，向MXene两侧引入介孔通道，使材料具有更大的内部活性比表面积和离子传输通道，有望改善电化学性能，具有电容去离子化的应用前景。

技术领域

本发明涉及电容去离子化的电极材料领域，尤其涉及一种含面内柱状介孔的二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法。

背景技术

近年来，电容去离子化(CDI)作为一种低能耗、无污染的脱盐技术，已成为解决淡水危机的有效方法。目前研究最广泛的CDI电极材料是多孔碳材料。但是，纯碳材料理论电容量较低，极大地限制了材料的脱盐容量(SAC)。其次，大多数多孔碳材料都是微孔结构，电解液在微孔内部的传输速率慢，导致材料的传质速率慢，从而降低脱盐速率(SAR)。

MXene(Ti₃C₂)具有高比电容和良好的导电性，因此其作为脱盐电极材料，有望实现高的脱盐容量。但是研究表明，MXene纳米片很容易发生堆叠，使得内部活性材料的利用率低；并且MXene容易被氧化，导致容量快速下降。研究发现，在MXene纳米片表面涂覆一层聚合物，形成MXene/聚合物二维复合纳米片，不仅能有效防止纳米片堆叠，聚合物层还可以作为保护层，防止MXene的氧化。此外，合理选择聚合物组分(例如氧化还原活性聚合物)，能赋予材料优异的离子选择性和离子吸附能力，从而提高SAC和SAR。然而，已报道的MXene-聚合物复合纳米片仅限于在MXene片上覆盖致密的聚合物层，材料比表面积受到限制，导致容量无法进一步提高；同时，致密的聚合物层导致电解质离子向MXene内部空间的扩散受到限制，传质速率慢，导致材料的脱盐速率低。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种在聚多巴胺层构造多孔结构，在保留氧化还原电容特性和离子选择性的基础上，增大比表面积，增加活性位点，从而提高电极材料的脱盐容量。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是利用MXene片高比容量和高导电性，改善传统CDI电极材料的低脱盐容量。

为实现上述目的，本发明提供了一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)嵌段聚合物自组装：本发明先采用聚环氧乙烷-嵌段-聚环氧丙烷-嵌段-聚环氧乙烷PEO₂₀-b-PPO₇₀-b-PEO₂₀三嵌段聚合物在溶液中自组装形成柱状胶束，作为介孔软模板：将P123溶于去离子水中，搅拌，形成柱状胶束溶液；

(2)柱状介孔的MXene/聚多巴胺二维复合纳米片mPDA/MXene的制备：向上述聚合物溶液中加入MXene溶液，搅拌后加入盐酸多巴胺DA·HCl，连续搅拌1小时，加入三羟甲基氨基甲烷Tris，从而将溶液调节至pH为8.5；将氨水溶液滴加到混合物中以引发多巴胺的聚合反应；用乙醇和水洗涤并离心，最后经过冷冻干燥，获得mPDA/MXene。

进一步地，步骤1中将100mg所述P123溶于40mL所述去离子水中，在40℃下搅拌2小时，形成所述柱状胶束溶液。

进一步地，步骤2中向所述聚合物溶液中加入6mL的所述MXene溶液，搅拌1小时后加入100mg所述盐酸多巴胺。

进一步地，所述MXene溶液的浓度为2mg/mL。

进一步地，步骤2中加入所述三羟甲基氨基甲烷的加入量为100mg。