[發明專利]一種碳化鈦MXene官能化石墨烯納米復合材料薄膜制備方法及應用

有效

• 申請號: 202010067527.1
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111252768B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 程群峰;周天柱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C01B32/921
• 分類號: C01B32/921;C01B32/184;B82Y40/00;B82Y30/00;C01B32/194;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;H01G11/86
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;賈玉忠

本發明涉及一種碳化鈦MXene官能化石墨烯納米復合材料薄膜制備方法及應用。然而制備高強度和高電導率的石墨烯納米復合材料薄膜一直以來是一個挑戰。為了解決這個問題，采用親水性和高導電性MXene納米片，利用Ti?O?C共價鍵去官能化氧化石墨烯，再通過有機分子進行化學交聯，制備出超韌性MXene官能化石墨烯納米復合材料薄膜。引入的MXene納米片和有機分子不僅減少石墨烯薄膜的孔隙率，也提升了石墨烯納米片的取向度。因此，由于界面協同作用，制備出石墨烯納米復合材料薄膜呈現超高韌性42.7MJ m^?3以及高電導率1329.0S cm^?1。并且基于此種超韌性和高導電MXene官能化石墨烯納米復合材料薄膜，組裝成柔性超級電容器表現出高體積能量密度和極好的柔性。

技術領域

本發明涉及一種碳化鈦MXene官能化石墨烯納米復合材料薄膜制備方法及其在柔性超級電容器中的應用，屬于納米復合材料制備領域。

背景技術

由于柔性儲能裝置和便捷、可攜帶電子設備的迅猛發展，柔性還原氧化石墨烯薄膜已經漸漸被應用于這些領域。然而，由于柔性還原氧化石墨烯薄膜差的力學性能和低導電率一直是有待解決的一個瓶頸，限制了這種材料在許多可移動設備中的廣泛應用。例如，研究者們已經將無機材料包括雙壁納米管(Adv. Mater.2012,24,1838-1843)、蒙脫土(J.Mater.Chem.A 2015,3,21194–21200) 以及氧化鋁片(Mater.Sci.Eng.C 2009,29,2050-2054)引入到石墨烯層間，利用無機材料與石墨烯之間的界面摩擦力來提高柔性石墨烯復合材料薄膜的力學性能。雖然在制備出的納米復合復合材料實現高拉伸強度，然而所得到的復合材料韌性仍處于較低的水平。除此之外，研究者們受天然貝殼的啟發，采用化學交聯并利用氧化石墨烯表面的含氧官能團來提升納米復合材料的GO層間的界面強度。例如，采用硼酸鹽(Adv.Mater.2011,23,3842–3846)、10,12-二十五碳二炔-1-醇(PCDO)(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,1–7)等共價鍵；Ca²⁺ (Adv.Mater.2016,28,2834-2839)、Zn²⁺(Chem.Commun.2015,51,2671-2674.)、 Mg²⁺(ACSNano 2008,2,572-578)等離子鍵；熱塑性聚氨酯(TPU)(ACSNano 2015,9,708-714)、多巴胺(PDA)(ACSNano 2014,8,9511-9517)等π-π共軛堆積作用以及聚乙烯醇(PVA)(Adv.Mater.2012,24,3426-3431)、纖維素、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(Adv.Funct.Mater.2010,20,3322-3329)等氫鍵一種碳化鈦或多種價鍵界面協同作用來促進石墨烯基納米復合材料的力學性能提升。盡管這些方法顯著提高了納米復合材料的機械強度，然而制備出的還原氧化石墨烯納米復合材料往往伴隨著韌性和電導率的降低。因此，制備兼具高力學性能和高導電率的石墨烯納米復合材料薄膜的方法一直以來都是一個巨大的挑戰！

二維材料碳化鈦過渡金屬納米片MXene(Ti₃C₂T_x)由于其高導電率、高比表面積、極好的電化學性能以及良好的力學性能，逐漸的被廣泛關注和研究。 MXene納米片表面具有大量的官能團T_x，如氫基(OH)、含氧基(O)以及含氟基(F)。因此，這些官能團的存在促使MXene可以被用來官能化氧化石墨烯納米片(GO)制備相應的納米復合材料薄膜。