[发明专利]二维金属碳化钛负载MnOx

说明书

本发明公开了一种二维金属碳化钛负载MnO_x量子点电极材料，它是以具有高导电性的MXene为基体材料，以羰基锰为前驱体采用简单的溶剂热反应制备了MXene负载氧化锰纳米点复合材料。并通过选用离子液体作为电解液进一步拓宽工作电压窗口，提高能量密度。氧化物纳米点是具有量子尺寸效应的赝电容材料，负载在MXene表面制得复合材料可以提高反应活性，增加赝电容；纳米点充当阻隔材料能避免MXene片层的堆垛和塌陷；制得的复合材料进一步制成用于超级电容器的电极，在离子液体电解液中电化学测试结果显示显著提高了比容量和倍率性能。而且这种方法具有一定的普适性，可应用于其他电极材料负载超小尺寸的金属氧化物的体系中，具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种二维金属碳化钛负载MnOx量子点电极材料及其在制备超级电容器中的应用。

背景技术

超级电容器(SC)具有高功率、快速充电/放电、超长的循环寿命、高可靠性、免维护以及环境友好等特性，它们被公认为最有前途的储能技术之一。已经被广泛地研究并应用，包括移动电话、混合动力车辆、医疗设备、军事设备、存储备份系统和复杂的电源系统等领域。尽管如此，超级电容器与电池相比，它们的能量密度相对较低，这严重阻碍了超级电容器的广泛使用。根据能量密度的计算公式(E＝1/2CV²)，增大比容量(C)或扩展电压窗口(V)都能有效提升能量密度，可以通过开发高比容量的电极材料和筛选配制具有宽电位窗口的电解液来实现。电解液分解电位限制了电容器的电压窗口，进一步影响储能器件的输出电压和能量密度。离子液体是由阳离子与阴离子组成的室温熔盐，由于其本身分解电压高，用作电解液时电化学窗口可达3.5V以上，理论上可获得更高的能量密度。在比表面积相同的情况下，赝电容是双电层电容比容量的10～100倍。尽管如此，对于大多数赝电容材料而言，由于其本身电导率低且存在不可逆反应等原因导致倍率性能和循环寿命相对较差。因此，以寻求性能优异的赝电容材料并进一步提高其导电性和倍率特性是关键。

二维金属碳化钛(MXene)是一类具有类石墨烯结构的二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化合物，除了具有电化学活性位点多、电子传输通道完整、离子扩散阻力小等优势外，其本身还呈现金属导电性并含有氧/氟等官能团，利于大电流充放电和倍率性能的发挥。由于Mxene晶体层间具有伸缩性，且晶胞间隙大能容纳更多的电解液离子，加之其堆积密度高，理论上能获得更高的体积比容量，但质量比容量相对较低；若将MXene材料单独作为电极使用时，容易造成二维结构塌陷或堆垛，导致比容量和倍率性能下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对MXene在离子液体电解液中的倍率性能相对较差和比容量相对较低的问题，提供一种具有高倍率与高比容量二维金属碳化钛负载 MnO_x量子点电极材料。

本发明还要解决的技术问题是提供上述电极材料在制备超级电容器中的应用。

为解决上述技术问题，本发明的思路是：本发明以具有高导电性的MXene为基体材料，以羰基锰为前驱体采用简单的溶剂热反应制备了MXene负载氧化锰纳米点复合材料。MnO_x量子点在MXene表面能够提供大量的电化学活性位点，利于电解液与电极材料的充分接触与反应，改善电化学反应动力学，提高MXene电极在离子液体电解液中的比容量和倍率性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种二维金属碳化钛负载MnO_x量子点电极材料，它是由如下步骤制备得到：