一种金属氧化物/MXene二维纳米复合物、其制备方法与应用 |
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| 申请号 | CN201710440826.3 | 申请日 | 2017-06-13 | 公开(公告)号 | CN107221428A | 公开(公告)日 | 2017-09-29 |
| 申请人 | 苏州大学; | 发明人 | 耿凤霞; 刘卫红; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种金属 氧 化物/MXene二维纳米复合物、其制备方法与应用。所述金属氧化物/MXene二维纳米复合物包括由均匀分布且紧密连接的金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片构成的层状结构。所述制备方法包括：直接将金属氧化物以及MXene二维纳米片溶液混合均匀，得到混合溶液，将所述混合溶液进行 真空 抽滤，获得金属氧化物/MXene二维纳米复合物，并制备复合 电极 ，将得到的复合电极作为柔性电容器的柔性电极，以改善活性物质之间 接触 不好的缺点，且所得柔性电容器具备优异的 力 学和电学性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种金属氧化物/MXene二维纳米复合物，其特征在于包括由均匀分布且紧密连接的金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片构成的层状结构，所述金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片的质量比为1:1～9:1。 |
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| 说明书全文 | 一种金属氧化物/MXene二维纳米复合物、其制备方法与应用技术领域背景技术[0002] 随着经济的发展，可再生能源的储存和转化引起了人们的广泛关注，电容器作为一种优异的储存装置显得尤为突出，其具有结构简单、功率密度大、循环寿命长等优点。需要注意的是，各类柔性电子器件的发展，引起了柔性电容器的产生。二维材料由于自身的优点，在柔性电容器的发展过程中占得了一席之地。其中，过渡金属氧化物自身电容性能较高，脱颖而出，但由于其导电性差，限制了应用，所以目前各研究者集中改善其导电性，主要是将金属氧化物与各种导电性较好的物质进行复合，例如，石墨烯、导电高分子以及各种碳材料。但是，大部分导电材料仅具有良好导电性，水溶性较差，与金属氧化物不能较好结合。因此，发现一种既具有良好导电性，又可以与金属氧化物具有良好相容性的物质，是目前研究的热点。 发明内容[0003] 本发明的主要目的在于提供一种金属氧化物/MXene二维纳米复合物、其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。 [0004] 为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括： [0005] 本发明实施例提供了一种金属氧化物/MXene二维纳米复合物，其包括由均匀分布且紧密连接的金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片构成的层状结构，所述金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片的质量比为1:1～9:1。 [0006] 本发明实施例还提供了一种制备所述金属氧化物/MXene二维纳米复合物的方法，其包括： [0009] 例如，本发明实施例还提供了一种复合电极，其包含前述的金属氧化物/MXene二维纳米复合物。 [0010] 本发明实施例还提供了前述的复合电极的制备方法，其包括：对所述金属氧化物/MXene二维纳米复合物进行加压处理，形成复合电极。 [0011] 又例如，本发明实施例还提供了一种柔性电容器，其包括两个电极和电极之间的电解质，所述电极包括前述的金属氧化物/MXene二维纳米复合物或复合电极。 [0012] 与现有技术相比，本发明的优点至少在于： [0013] 1)本发明提供的金属氧化物/MXene二维纳米复合物将金属氧化物与MXene复合，MXene作为一种新兴的过渡金属碳化物和氮化物，具有良好的柔性，导电性以及良好的水溶性，可以满足金属氧化物的需求，对利用本发明的复合物制备得到的复合电极直接进行三电极测试，并与单纯MXene以及金属氧化物进行对比，性能上具有明显的提升。另外，本发明还将金属氧化物与MXene进行简单的物理混合制备电极，最终性能远远差于本发明的电化学性能，进一步证明了本发明采用简单抽滤方式得到的复合电极的层层堆垛结构利于电子以及离子的传输，从而改善电化学性能； [0014] 2)本发明提供的金属氧化物/MXene二维纳米复合物的制备方法通过一种简单、可控的真空抽滤的方式，直接将金属氧化物以及MXene二维纳米片溶液混合，充分利用了金属氧化物与MXene之间的互溶性良好复合，然后将得到的复合电极作为柔性电容器的柔性电极，以改善活性物质之间接触不好的缺点。 [0015] 3)本发明提供的金属氧化物/MXene二维纳米复合物，同时利用了MXene良好的导电性以及水溶性，通过与金属氧化物的充分良好接触，达到最终改善金属氧化物导电性的效果，进而提升复合电极的电化学性能。附图说明 [0016] 图1是本发明一典型实施例中金属氧化物/MXene二维纳米复合物的制备方法示意图； [0017] 图2a-图2e是本发明一典型实施例中制备的柔性复合电极的照片示意图； [0018] 图3a和图3b是本发明一典型实施例中金属氧化物/MXene二维纳米复合物的SEM图像； [0019] 图4a和图4b是本发明一典型实施例中制备的柔性复合电极的三电极测试CV以及GCD曲线图； [0020] 图5a和图5b是对照例1中单纯金属氧化物三电极测试CV以及GCD曲线图； [0021] 图6a和图6b是对照例2中单纯MXene三电极测试CV以及GCD曲线图； [0022] 图7a和图7b是对照例3中金属氧化物与MXene通过传统电极制备方法复合得到的混合电极的三电极测试CV以及GCD曲线图； [0023] 图8a是本发明实施例2中制备的柔性电容器的结构示意图； [0024] 图8b是本发明实施例2中制备的柔性电容器的柔性表征示意图。 具体实施方式[0025] 针对现有技术的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，提出本发明的技术方案，如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以相互结合，从而构成新的或者优选的技术方方案。限于篇幅，在此不再一一累述。 [0026] 本发明实施例的一个方面提供的一种金属氧化物/MXene二维纳米复合物，参见图3a和图3b所示，其包括由均匀分布且紧密连接的金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片构成的层状结构，所述金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片的质量比为1:1～9:1。 [0027] 作为较佳实施方案之一，所述金属氧化物/MXene二维纳米复合物的厚度约为1～10μm。 [0028] 作为较佳实施方案之一，所述金属氧化物纳米片的横向尺寸为1～2μm。 [0029] 优选的，所述金属氧化物纳米片包括MnO2、ZnO、V2O5、Fe3O4等，但不限于此。 [0030] 作为较佳实施方案之一，所述MXene二维纳米片的横向尺寸为1～2μm。 [0031] 进一步的，所述MXene二维纳米片包括Ti3C2、Ti2C、Nb4C43等，但不限于此。 [0032] 本发明实施例的另一个方面提供的一种制备所述金属氧化物/MXene二维纳米复合物的方法，请参阅图1所示，其包括： [0033] 将金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片于溶剂中混合均匀，得到混合溶液，将所述混合溶液进行真空抽滤，获得金属氧化物/MXene二维纳米复合物。 [0034] 作为较佳实施方案之一，所述制备方法具体包括： [0035] 将金属氧化物纳米片溶液与MXene二维纳米片溶液超声混合均匀，得到混合溶液，将所述混合溶液进行真空抽滤，获得金属氧化物/MXene二维纳米复合物。 [0036] 优选的，所述金属氧化物纳米片与MXene二维纳米片的质量比为1:1～9:1。 [0037] 进一步的，所述真空抽滤的压力为5～20Mpa左右。 [0038] 进一步的，所述溶剂包括超纯水和乙醇等醇类溶剂，但不限于此。 [0039] 作为较佳实施方案之一，所述金属氧化物纳米片的横向尺寸为1～2μm。 [0040] 优选的，所述金属氧化物纳米片包括MnO2、ZnO、V2O5、Fe3O4等，但不限于此。 [0041] 作为较佳实施方案之一，所述MXene二维纳米片的横向尺寸为1～2μm。 [0042] 进一步的，所述MXene二维纳米片包括Ti3C2、Ti2C、Nb4C43等，但不限于此。 [0043] 本发明提供的金属氧化物/MXene二维纳米复合物的制备方法通过一种简单、可控的真空抽滤的方式，直接将金属氧化物以及MXene二维纳米片溶液混合，然后将得到的复合电极作为柔性电容器的柔性电极，以改善活性物质之间接触不好的缺点。 [0044] 本发明实施例的另一个方面还提供了前述的金属氧化物/MXene二维纳米复合物于制备电极或电容器中的用途。 [0045] 例如，参阅图2a-图2e所示，本发明实施例还提供了一种具备柔性的复合电极，其包含前述的金属氧化物/MXene二维纳米复合物。 [0046] 本发明实施例还提供了前述的复合电极的制备方法，其包括：对所述金属氧化物/MXene二维纳米复合物进行加压处理，形成复合电极。 [0049] 又例如，为了证明该复合电极的实用性，本发明实施例还提供了一种柔性电容器，其包括两个电极和电极之间的电解质(尤其是隔膜电解质)，所述电极包括前述的金属氧化物/MXene二维纳米复合物或复合电极。 [0050] 综上所述，藉由上述技术方案，本发明提供的金属氧化物/MXene二维纳米复合物将金属氧化物与MXene复合，MXene作为一种新兴的过渡金属碳化物和氮化物，具有良好的柔性，导电性以及良好的水溶性，可以满足金属氧化物的需求，对利用本发明的复合物制备得到的复合电极直接进行三电极测试，并与单纯MXene以及金属氧化物进行对比，性能上具有明显的提升。 [0051] 以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。 [0052] 实施例1 [0053] 将金属氧化物以及MXene的纳米片溶液，按照9：1的质量比进行超声混合，然后进行真空抽滤，然后将得到的复合电极通过压片的方式转移到不锈钢网基底上以便于进行电化学测试。制备得到的柔性复合电极采用三电极的方式进行测试。 [0054] 实施例2 [0055] 将金属氧化物以及MXene的纳米片溶液，按照4：1的质量比进行超声混合，然后进行真空抽滤，然后将得到的复合电极通过压片的方式转移到不锈钢网基底上以便于进行电化学测试。制备得到的柔性复合电极采用三电极的方式进行测试，其三电极测试CV以及GCD曲线图可参阅图4a和图4b。将该柔性复合电极进一步组装为柔性电容器，参见图8a所示。对本实施例的柔性电容器进行柔性表征，其性能参数参见图8b所示。 [0056] 实施例3 [0057] 将金属氧化物以及MXene的纳米片溶液，按照1：1的质量比进行超声混合，然后进行真空抽滤，然后将得到的复合电极通过压片的方式转移到不锈钢网基底上以便于进行电化学测试。制备得到的柔性复合电极采用三电极的方式进行测试。 [0058] 对照例1 [0059] 量取一定量的金属氧化物纳米片溶液，任意比例稀释，然后采用相同的方式进行真空抽滤，压片转移到不锈钢网基底上，制备得到的单纯金属氧化物电极进行三电极测试，其三电极测试CV以及GCD曲线图如图5a和图5b所示。 [0060] 对照例2 [0061] 量取一定量的MXene纳米片溶液，任意比例稀释，然后采用相同的方式进行真空抽滤，压片转移到不锈钢网基底上，制备得到的单纯MXene电极进行三电极测试，其三电极测试CV以及GCD曲线图如图6a和图6b所示。 [0062] 由实施例1-3和对比例1-2中可以得出，本发明所获金属氧化物以及MXene二维纳米复合物与单纯MXene以及金属氧化物进行对比，性能上具有明显的提升。 [0063] 对照例3 [0064] 采用高速离心的方式收集得到金属氧化物和MXene纳米片固体，将二者按照质量比4:1混合研磨，然后将混合粉末、乙炔黑、PVDF按照8:1:1的比例混合涂覆在不锈钢网上，作为电极进行三电极测试，其三电极测试CV以及GCD曲线图如图7a和图7b所示。 [0065] 本对照例将金属氧化物与MXene进行简单的物理混合制备电极，最终性能远远差于本发明的电化学性能，进一步证明了本发明采用简单抽滤方式得到的复合电极的层层堆垛结构利于电子以及离子的传输，从而改善电化学性能。 [0066] 通过实施例1-3，可以发现，藉由本发明的上述技术方案，通过一种简单、可控的真空抽滤的方式，直接将金属氧化物以及MXene二维纳米片溶液混合，然后将得到的复合电极作为柔性电容器的柔性电极，以改善活性物质之间接触不好的缺点。对利用本发明的复合物制备得到的复合电极直接进行三电极测试，并与单纯MXene以及金属氧化物进行对比，力学、电学性能上均具有明显的提升。 [0067] 此外，本案发明人还参照实施例1-实施例3的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了力学、电学性能优异的金属氧化物/MXene二维纳米复合物、复合电极以及柔性电容器。 [0068] 应当理解的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 |
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