[發明專利]一種硼磷共摻雜MXene材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010831034.0
• 申請日: 2020-08-18
• 公開（公告）號: CN112018383A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 張業龍;孫宏陽;周健文;徐曉丹;劉爭;曾慶光
• 申請（專利權）人: 五邑大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/136;H01M10/054;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 黃琳娟

本發明公開了一種硼磷共摻雜MXene材料及其制備方法，所述制備方法包括以下步驟：將硼源材料和磷源材料按照摩爾比為1：(1?4)加入分散劑中，充分攪拌，配制成濃度為0.1?2mol/L的溶液；將MXene加入步驟(1)所得溶液，充分攪拌，得到分散液；將分散液離心后干燥，得到前驅體材料；將前驅體材料在保護氣氛中加熱至200?500℃，保溫1?5小時，冷卻，收集產物，即得到硼磷共摻雜MXene材料。與未摻雜MXene材料相比，本發明制備的硼磷共摻雜MXene材料借助雙雜原子的協同效用，提升MXene電導率、并增強贗電容效應，從而獲得良好的儲鉀性能，所得硼磷共摻雜MXene材料是鉀離子的理想負極材料。

技術領域

本發明屬于納米功能材料領域，具體涉及一種硼磷共摻雜MXene材料及其制備方法。

背景技術

新世紀對便攜式電子設備和零排放汽車動力系統的需求不斷增加，直接促進了新型儲能器件的研究。此外，為了普及智能電網，整合可再生能源不連續的能量，優化清潔能源的性能，低成本儲能器件已是大勢所趨。目前，鋰離子電池作為主要的電池技術在大規模的實際應用中遇到了困境,特別是原材料的成本高昂問題,已成為進一步廣泛應用的瓶頸。因此，研究開發成本低、安全性高、能量和功率密度大的替代二次充電電池具有重要意義。

近年來，人們開始考慮多種新型二次充電電池，包括Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Zn²⁺和Al³⁺電池等。由于天然豐度高，理化性質相似，鈉離子電池(SIB)和鉀離子電池(PIB)已成為鋰離子電池(LIB)的替代選擇。與鈉離子電池(SIB)相比，PIB的研究還處于起步階段，但是鉀的電位更接近鋰，這意味著更高的電壓及更高的功率密度。負極材料作為電池的重要組成部分，探究合適的鉀離子負極材料對鉀離子的實際商用具有重要意義。

二維材料以其巨大的表面積、柔性的層狀通道和可調控的電子結構在儲能領域展現出了巨大的應用潛力和廣闊的發展前景。其中，2011年被美國Drexel大學研究人員所發現的過渡金屬碳化物納米片(MXene)材料，主要是通過選擇性刻蝕三元層狀化合物材料MAX中A層而得到，Gogotsi等人在此領域做了大量研究。相比于傳統碳材料，二維層狀MXene材料具有更高的堆積密度、更好的電子導電率、更強的單位體積存儲電荷能力等優勢，當MXene材料用于超級電容器時，可表現出高的容量(約360F/cm³)。然而，進一步研究發現，MXene的層間儲能領域不能完全發揮作用，原因在于其低的層間距導致對鉀離子的存儲有限，另外，MXene不規則的形狀與較小片層尺寸，也使MXene之間存在較大的接觸電阻，限制了MXene導電網絡的形成。這極大限制了MXene在鉀離子電池中的應用。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的之一在于提供一種硼磷共摻雜MXene材料。本發明的另一目的在于提供上述硼磷共摻雜MXene材料的制備方法。進一步的，本發明提供一種硼磷共摻雜MXene材料的應用，將所述硼磷共摻雜MXene材料用作鉀離子電池負極。

本發明采用以下技術方案：

一種硼磷共摻雜MXene材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)將硼源材料和磷源材料按照1：(1-4)，優選的為1：3的摩爾比加入分散劑中，攪拌1-3小時，例如1小時，2小時，3小時，配制成濃度為0.1-2mol/L，例如0.1mol/L，0.5mol/L，1mol/L，1.5mol/L，2mol/L的溶液；

(2)將MXene加入步驟(1)所得溶液，并攪拌3-10小時，例如3小時，5小時，7小時，9小時，10小時，得到分散液；

(3)將分散液進行離心后干燥，得到前驅體材料；

(4)將步驟(3)得到的前驅體材料放入剛玉坩堝后，轉移至管式爐中；