[发明专利]一种连续型多级孔碳化钛导电纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种连续型多级孔碳化钛导电纤维及其制备方法和应用，属于功能材料技术领域。本发明通过对Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;Tsubgt;x/subgt;片层进行表面制孔处理，并通过PMMA纳米微球硬模板法，制备具有介孔‑大孔结构的多级孔纤维，从而进一步提高纤维的体积比电容，解决了Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;Tsubgt;x/subgt;导电纤维电化学性能不佳的问题。本发明提供的连续型多级孔碳化钛导电纤维在结构上构建了介孔‑大孔的多级孔隙结构，不仅仅表现出更优异的电化学性能，还改善了材料间的自堆叠缺陷，增加了纤维内部的空隙，特有的孔隙结构增加离子传递通道，提高了电子和离子的传输效率。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及到一种连续型多级孔碳化钛导电纤维及其制备方法和应用，具体涉及介孔型Ti₃C₂T_x片层材料的制备，硬模版PMMA纳米微球的制备，以及在此基础上的一种连续、快速制备导电纤维的方法，并将制备的纤维应用在柔性电极材料领域。

背景技术

随着科学技术的发展，便携式和可穿戴设备的兴起，对储能器件的容量、体积和机械性能等方面提出新要求。近年来，人造皮肤、可穿戴生理监测设备、柔性感应器等可穿戴微电子器件不断开发，急需具备足够的容量、柔性、以及耐用性的供能装置。目前柔性储能器件的主要形式包括柔性金属离子电池、金属-空气电池和超级电容器等。纤维基超级电容器具有超级电容器功率密度高、充放电速度快、循环使用寿命长以及更安全稳定等特点，还兼有纤维结构良好的灵活性，可以很容易地编织到各种类型的纺织品中，从而在最大限度上提高可穿戴电子设备的舒适性、美观性和可设计性，显示出可穿戴应用的巨大潜力。

基于Ti₃C₂T_x的MXenes材料是一类新型二维片层材料，因其独特的晶体结构，该材料表现出高导电率和快速的离子扩散性，使得它们在能源储存应用中极具吸引力。然而，由于Ti₃C₂T_x纳米薄片横向尺寸较小，片层之间的相互作用力较弱，Ti₃C₂T_x纳米片很难单独组装成宏观纤维。

目前常用的Ti₃C₂T_x纤维的制备方法，主要采用混纺、静电纺丝等方法，如公开号为CN109898179A的专利提供了一种碳化钛纤维材料的制备方法，该专利将有机物缩聚后得到的含钛聚合物前驱体溶液与聚乙烯吡咯烷酮混合搅拌均匀得到稳定的纺丝液后进行静电纺丝，对纺丝后的纤维进行热处理之后进行碳热还原制得碳化钛纤维，解决了纤维前驱体稳定性差、过程复杂、无法制备连续长纤维等问题。然而基于碳化钛纤维的电极内部组装密度过高和活性材料利用率低的问题依然存在，这限制了它的实际应用。

针对上述问题现有公开号为CN112062230A的专利提供了一种电极材料及其制备方法。该专利将纤维电极设计成金属氧化物层、碳纤维基质层以及MXene层构成的多层空腔结构，结合电容去离子化的技术，改善了电极的大容量储存离子能力、导电性和亲水性。但该专利提供的制备方法步骤繁杂，尤其在将MXene纳米片包覆在纤维表层并烘干的操作需要反复多次，不适合工业化大规模生产。