[發明專利]一種MXene基復合氣凝膠的制備方法

有效

• 申請號: 202110368464.8
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113101877B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 付宇;蔡晨陽
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;C01B21/00;C01B21/06;C01B32/90
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 孫永生

本發明公開了一種MXene基復合氣凝膠的制備方法，包括：將MXene加入去離子水中經超聲、攪拌后得到MXene分散液；將功能化的納米纖維素晶加入MXene分散液中攪拌并進行分子自組裝后，再加入聚氨酯繼續攪拌并進行化學交聯，反應結束后，經液氮冷凍，冰晶的揮發，得到MXene基復合氣凝膠；以功能化的納米纖維素晶作為組裝劑和模板，與MXene二維納米片相分離自組裝后，再與水性聚氨酯進行化學交聯反應，然后進行定向冷凍干燥操作，得到具有三維定向內部孔道結構的MXene基復合氣凝膠材料，MXene基復合氣凝膠材料不僅具有超彈的力學性能，而且還具有優異的電化學性能。

技術領域

本發明涉及功能高分子氣凝膠材料領域，具體是一種MXene基復合氣凝膠的制備方法。

背景技術

隨著人類社會的不斷進步和工業的高速發展，全世界對于能源的需求量呈現爆炸性需求態勢。但是，傳統的化石燃料儲存量有限并且日益枯竭；于此同時，大量的化石燃料在燃燒過程中會產生大量的溫室氣體和有毒物質，如二氧化碳、一氧化碳和揮發性有機物等，對全球環境造成了不可逆的污染并且使得氣候惡化，這對人類的生存造成了極大的影響。因此，科研人員開始尋求可持續和可再生的清潔能源。其中，電化學儲能作為新能源技術中的重要研究方向，一直受到科研人員的廣泛關注。超級電容器是一種通過表面離子吸附或者表面法拉第反應進行儲能的儲能器件，具有高的功率密度和長的循環壽命，充放電速度快，因此廣泛應用于汽車、儲能電站、航空航天等領域。影響超級電容器性能的關鍵材料是電極材料，因此開發具有高比表面積，電容高和力學性能優異的結構電極一直是科研人員的重點。

近年來，一種新型的二維過渡金屬碳化物或氮化物(MXene)得到了研究者廣泛的關注。相比于傳統的碳材料電極，由于刻蝕引入的表面官能團，如-OH、-F、-O等，使得MXene具備贗電容特性，因此具有較好的電化學性能。特別是，MXene優異的導電性、親水性、豐富的表面官能團以及高密度等特性使得其成為新一代的能源存儲能材料。然而和其他二維納米材料一樣，MXene電極反應大多發生在MXene表面和表面所構筑的界面上，嚴重的片層堆疊現象制約了其電化學性能，使得和理論相差甚遠。因此如何調控和優化MXene的表面及結構，抑制其堆疊，構建出具備優異電化學性能的MXene基電極材料是關鍵。通過模板法、冷凍、插層等方法可以將堆疊的二維MXene材料轉變為三維結構，可以有效抑制其片層的堆疊，增大其比表面積，進而使得MXene電極的電化學性能得到改善。其中氣凝膠是一類通過冷凍模板法構建的三維骨架多孔結構的超輕材料，其巨大的比表面積，多孔道結構使得其可以作為優良的電極材料。

到目前為止，很少有報道能夠通過凝膠化(例如離子交聯、聚合物交聯)和冷凍模板法合成MXene氣凝膠。目前采用的最多的方法是用石墨烯促進MXene的凝膠化或者復合高分子模板材料定向凍干構建高性能的MXene基氣凝膠材料。但是，其機械穩定性差和不規則的三維孔道結構，使得MXene氣凝膠的結構耐久性差。此外，模板輔助技術用于構建MXene復合氣凝膠，存在較大的大量的模板劑(通常20wt％)會嚴重降低其電導率，從而導致較差的電化學性能。由于MXene是剛性的2D片層材料，構造具有優異機械性能兼顧杰出電化學功能的多孔三維MXene氣凝膠仍然是一個挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種MXene基復合氣凝膠的制備方法，以解決現有技術中所制得的MXene基復合氣凝膠具有較差的機械穩定性以及較差的電化學性能的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

本發明提供了一種MXene基復合氣凝膠的制備方法，包括：

將MXene加入去離子水中經超聲、攪拌后得到MXene分散液；

將功能化的納米纖維素晶加入MXene分散液中攪拌并進行分子自組裝后，再加入聚氨酯繼續攪拌并進行化學交聯，反應結束后，經液氮冷凍，冰晶的揮發，得到MXene基復合氣凝膠。