[發明專利]一種納米纖維素MXene凝膠及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010929093.1
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112011094A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 王利魁;曾婷;苗紅艷;劉宏治;劉競;程廣鴻;姚伯龍
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: C08L1/04
• 分類號: C08L1/04;C08K7/00;C08K3/14;C08J3/075;C08J9/28
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤;梅洪玉

本發明公開了一種納米纖維素MXene凝膠及其制備方法和應用，屬于二維材料技術領域。本發明將二維過渡金屬碳氮化物水分散液、羧基化納米纖維素水分散液混合均勻，隨后冷凍，再解凍之后形成水凝膠；水凝膠經過冷凍干燥得到氣凝膠；其中，二維過渡金屬碳氮化物的分子式為M_n+1X_nT_s；其中，M為過渡金屬，X為碳和/或氮，T_s為表面端基，包含羥基、氟、氧、氫、烷基、銨基或其組合。所得的水凝膠及氣凝膠材料在超級電容器、鋰離子電池、電磁屏蔽及電催化領域中有較好的應用。

技術領域

本發明屬于二維材料技術領域，具體涉及一種二維過渡金屬碳氮化物(MXene)與納米纖維素復合凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

二維過渡金屬碳氮化物(MXene)是一種從層狀陶瓷材料MAX相去除A原子層而得到的新型二維材料，只有1nm左右的厚度，但是具有優異的電導率和水分散性，在超級電容器、鋰離子電池、導電涂料、電磁屏蔽、電催化及吸附等領域均具有優異的應用前景，被稱為水性石墨烯，是繼石墨烯之后的發展最快種類最多的二維材料。

目前報道應用最廣泛的是鈦系金屬碳化物材料，比如由Ti₃AlC₂刻蝕制備的Ti₃C₂T_s材料以及Ti₂AlC刻蝕制備的Ti₂CT_s。前者是目前研究最為廣泛，應用最多的MXene材料，其電導率可以達到15000S/cm，另外其電容可以達到1000F/cm³或以上，在超級電容、鋰離子電池、導電涂料、電磁屏蔽等領域都受到了廣泛關注。在制備過程中，大多數MXene往往通過刻蝕和插層得到分散于水中的少層分散液。在應用過程中，無論是作為電極材料、導電涂料或者電磁屏蔽材料，也均需將其分散在溶劑中，最常用的是將其分散在水中。

但是，由于MXene納米片(NSs)的隨機堆疊導致其可利用表面積的損失和離子擴散阻力的增加大大降低了它們的電化學性能。石墨烯面臨相同的問題，但是其自組裝成3D結構可以有效解決這些問題。

纖維素是一種可再生的、無毒性的、可生物降解的天然高分子，也是取之不盡用之不竭的天然可再生資源。它在很多方面甚至可以取代化石能源。纖維素現已在許多行業得到了廣泛應用，尤其是以纖維素為原料制備的水凝膠和氣凝膠已經引起人們越來越多的關注。水凝膠具有三維的網狀結構，在其結構內部，分散介質為水，而將介質內的水除去并換成空氣，同時不改變本身的三維網狀結構，就得到了氣凝膠。近年來，纖維素氣凝膠因其均勻的三維網狀結構，在輸送、油水分離、污水處理、傳感器等方向被廣泛研究。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種二維過渡金屬碳氮化物(MXene)納米纖維素水凝膠及氣凝膠的制備方法，具體技術方案如下：

將二維過渡金屬碳氮化物水分散液、羧基化納米纖維素水分散液混合均勻，隨后冷凍，再解凍之后形成水凝膠；水凝膠經過冷凍干燥得到氣凝膠；其中，二維過渡金屬碳氮化物的分子式為M_n+1X_nT_s；其中，M為過渡金屬，X為碳和/或氮，n表示碳和/或氮原子的加和，T_s為表面端基，表面端基為羥基、氟、氧、氫、烷基、銨基中的一種或兩種以上組合。而采用季銨化納米纖維素和二維過渡金屬碳氮化物分散液進行混合，則會發生團聚，無法得到水凝膠。另外不經冷凍，常溫放置的羧基化納米纖維素和二維過渡金屬碳氮化物的混合液也無法形成凝膠。

在本發明的一種實施方式中，羧基化納米纖維素和二維過渡金屬碳氮化物質量比20:1到1:20之間；

在本發明的一種實施方式中，羧基化納米纖維素水分散液的濃度為0.1-50mg/g，二維過渡金屬碳氮化物水分散液的濃度為0.1-60mg/g。