一種金屬氧化物/MXene二維納米複合物、其製備方法與應用與流程
2023-04-26 02:33:26
本發明涉及一種金屬氧化物/mxene二維納米複合物的製備方法，特別是涉及一種金屬氧化物/mxene二維納米複合物及其製備方法，以及其用於柔性電容器的方法，屬於納米複合材料技術領域。
背景技術：
隨著經濟的發展，可再生能源的儲存和轉化引起了人們的廣泛關注，電容器作為一種優異的儲存裝置顯得尤為突出，其具有結構簡單、功率密度大、循環壽命長等優點。需要注意的是，各類柔性電子器件的發展，引起了柔性電容器的產生。二維材料由於自身的優點，在柔性電容器的發展過程中佔得了一席之地。其中，過渡金屬氧化物自身電容性能較高，脫穎而出，但由於其導電性差，限制了應用，所以目前各研究者集中改善其導電性，主要是將金屬氧化物與各種導電性較好的物質進行複合，例如，石墨烯、導電高分子以及各種碳材料。但是，大部分導電材料僅具有良好導電性，水溶性較差，與金屬氧化物不能較好結合。因此，發現一種既具有良好導電性，又可以與金屬氧化物具有良好相容性的物質，是目前研究的熱點。
技術實現要素：
本發明的主要目的在於提供一種金屬氧化物/mxene二維納米複合物、其製備方法與應用，以克服現有技術中的不足。
為實現前述發明目的，本發明採用的技術方案包括：
本發明實施例提供了一種金屬氧化物/mxene二維納米複合物，其包括由均勻分布且緊密連接的金屬氧化物納米片與mxene二維納米片構成的層狀結構，所述金屬氧化物納米片與mxene二維納米片的質量比為1:1～9:1。
本發明實施例還提供了一種製備所述金屬氧化物/mxene二維納米複合物的方法，其包括：
將金屬氧化物納米片與mxene二維納米片於溶劑中混合均勻，得到混合溶液，將所述混合溶液進行真空抽濾，獲得金屬氧化物/mxene二維納米複合物。
本發明實施例還提供了前述的金屬氧化物/mxene二維納米複合物於製備電極或電容器中的用途。
例如，本發明實施例還提供了一種複合電極，其包含前述的金屬氧化物/mxene二維納米複合物。
本發明實施例還提供了前述的複合電極的製備方法，其包括：對所述金屬氧化物/mxene二維納米複合物進行加壓處理，形成複合電極。
又例如，本發明實施例還提供了一種柔性電容器，其包括兩個電極和電極之間的電解質，所述電極包括前述的金屬氧化物/mxene二維納米複合物或複合電極。
與現有技術相比，本發明的優點至少在於：
1)本發明提供的金屬氧化物/mxene二維納米複合物將金屬氧化物與mxene複合，mxene作為一種新興的過渡金屬碳化物和氮化物，具有良好的柔性，導電性以及良好的水溶性，可以滿足金屬氧化物的需求，對利用本發明的複合物製備得到的複合電極直接進行三電極測試，並與單純mxene以及金屬氧化物進行對比，性能上具有明顯的提升。另外，本發明還將金屬氧化物與mxene進行簡單的物理混合製備電極，最終性能遠遠差於本發明的電化學性能，進一步證明了本發明採用簡單抽濾方式得到的複合電極的層層堆垛結構利於電子以及離子的傳輸，從而改善電化學性能；
2)本發明提供的金屬氧化物/mxene二維納米複合物的製備方法通過一種簡單、可控的真空抽濾的方式，直接將金屬氧化物以及mxene二維納米片溶液混合，充分利用了金屬氧化物與mxene之間的互溶性良好複合，然後將得到的複合電極作為柔性電容器的柔性電極，以改善活性物質之間接觸不好的缺點。
3)本發明提供的金屬氧化物/mxene二維納米複合物，同時利用了mxene良好的導電性以及水溶性，通過與金屬氧化物的充分良好接觸，達到最終改善金屬氧化物導電性的效果，進而提升複合電極的電化學性能。
附圖說明
圖1是本發明一典型實施例中金屬氧化物/mxene二維納米複合物的製備方法示意圖；
圖2a-圖2e是本發明一典型實施例中製備的柔性複合電極的照片示意圖；
圖3a和圖3b是本發明一典型實施例中金屬氧化物/mxene二維納米複合物的sem圖像；
圖4a和圖4b是本發明一典型實施例中製備的柔性複合電極的三電極測試cv以及gcd曲線圖；
圖5a和圖5b是對照例1中單純金屬氧化物三電極測試cv以及gcd曲線圖；
圖6a和圖6b是對照例2中單純mxene三電極測試cv以及gcd曲線圖；
圖7a和圖7b是對照例3中金屬氧化物與mxene通過傳統電極製備方法複合得到的混合電極的三電極測試cv以及gcd曲線圖；
圖8a是本發明實施例2中製備的柔性電容器的結構示意圖；
圖8b是本發明實施例2中製備的柔性電容器的柔性表徵示意圖。
具體實施方式
針對現有技術的諸多缺陷，本案發明人經長期研究和大量實踐，提出本發明的技術方案，如下將對該技術方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。但是，應當理解，在本發明範圍內，本發明的上述各技術特徵和在下文(實施例)中具體描述的各技術特徵之間都可以相互結合，從而構成新的或者優選的技術方方案。限於篇幅，在此不再一一累述。
本發明實施例的一個方面提供的一種金屬氧化物/mxene二維納米複合物，參見圖3a和圖3b所示，其包括由均勻分布且緊密連接的金屬氧化物納米片與mxene二維納米片構成的層狀結構，所述金屬氧化物納米片與mxene二維納米片的質量比為1:1～9:1。
作為較佳實施方案之一，所述金屬氧化物/mxene二維納米複合物的厚度約為1～10μm。
作為較佳實施方案之一，所述金屬氧化物納米片的橫向尺寸為1～2μm。
優選的，所述金屬氧化物納米片包括mno2、zno、v2o5、fe3o4等，但不限於此。
作為較佳實施方案之一，所述mxene二維納米片的橫向尺寸為1～2μm。
進一步的，所述mxene二維納米片包括ti3c2、ti2c、nb4c43等，但不限於此。
本發明實施例的另一個方面提供的一種製備所述金屬氧化物/mxene二維納米複合物的方法，請參閱圖1所示，其包括：
將金屬氧化物納米片與mxene二維納米片於溶劑中混合均勻，得到混合溶液，將所述混合溶液進行真空抽濾，獲得金屬氧化物/mxene二維納米複合物。
作為較佳實施方案之一，所述製備方法具體包括：
將金屬氧化物納米片溶液與mxene二維納米片溶液超聲混合均勻，得到混合溶液，將所述混合溶液進行真空抽濾，獲得金屬氧化物/mxene二維納米複合物。
優選的，所述金屬氧化物納米片與mxene二維納米片的質量比為1:1～9:1。
進一步的，所述真空抽濾的壓力為5～20mpa左右。
進一步的，所述溶劑包括超純水和乙醇等醇類溶劑，但不限於此。
作為較佳實施方案之一，所述金屬氧化物納米片的橫向尺寸為1～2μm。
優選的，所述金屬氧化物納米片包括mno2、zno、v2o5、fe3o4等，但不限於此。
作為較佳實施方案之一，所述mxene二維納米片的橫向尺寸為1～2μm。
進一步的，所述mxene二維納米片包括ti3c2、ti2c、nb4c43等，但不限於此。
本發明提供的金屬氧化物/mxene二維納米複合物的製備方法通過一種簡單、可控的真空抽濾的方式，直接將金屬氧化物以及mxene二維納米片溶液混合，然後將得到的複合電極作為柔性電容器的柔性電極，以改善活性物質之間接觸不好的缺點。
本發明實施例的另一個方面還提供了前述的金屬氧化物/mxene二維納米複合物於製備電極或電容器中的用途。
例如，參閱圖2a-圖2e所示，本發明實施例還提供了一種具備柔性的複合電極，其包含前述的金屬氧化物/mxene二維納米複合物。
本發明實施例還提供了前述的複合電極的製備方法，其包括：對所述金屬氧化物/mxene二維納米複合物進行加壓處理，形成複合電極。
進一步的，所述製備方法包括：至少以壓片的方式將所述金屬氧化物/mxene二維納米複合物形成於選定基底上，獲得複合電極。
進一步的，所述基底包括不鏽鋼網基底，但不限於此。
又例如，為了證明該複合電極的實用性，本發明實施例還提供了一種柔性電容器，其包括兩個電極和電極之間的電解質(尤其是隔膜電解質)，所述電極包括前述的金屬氧化物/mxene二維納米複合物或複合電極。
綜上所述，藉由上述技術方案，本發明提供的金屬氧化物/mxene二維納米複合物將金屬氧化物與mxene複合，mxene作為一種新興的過渡金屬碳化物和氮化物，具有良好的柔性，導電性以及良好的水溶性，可以滿足金屬氧化物的需求，對利用本發明的複合物製備得到的複合電極直接進行三電極測試，並與單純mxene以及金屬氧化物進行對比，性能上具有明顯的提升。
以下通過若干實施例並結合附圖進一步詳細說明本發明的技術方案。然而，所選的實施例僅用於說明本發明，而不限制本發明的範圍。
實施例1
將金屬氧化物以及mxene的納米片溶液，按照9：1的質量比進行超聲混合，然後進行真空抽濾，然後將得到的複合電極通過壓片的方式轉移到不鏽鋼網基底上以便於進行電化學測試。製備得到的柔性複合電極採用三電極的方式進行測試。
實施例2
將金屬氧化物以及mxene的納米片溶液，按照4：1的質量比進行超聲混合，然後進行真空抽濾，然後將得到的複合電極通過壓片的方式轉移到不鏽鋼網基底上以便於進行電化學測試。製備得到的柔性複合電極採用三電極的方式進行測試，其三電極測試cv以及gcd曲線圖可參閱圖4a和圖4b。將該柔性複合電極進一步組裝為柔性電容器，參見圖8a所示。對本實施例的柔性電容器進行柔性表徵，其性能參數參見圖8b所示。
實施例3
將金屬氧化物以及mxene的納米片溶液，按照1：1的質量比進行超聲混合，然後進行真空抽濾，然後將得到的複合電極通過壓片的方式轉移到不鏽鋼網基底上以便於進行電化學測試。製備得到的柔性複合電極採用三電極的方式進行測試。
對照例1
量取一定量的金屬氧化物納米片溶液，任意比例稀釋，然後採用相同的方式進行真空抽濾，壓片轉移到不鏽鋼網基底上，製備得到的單純金屬氧化物電極進行三電極測試，其三電極測試cv以及gcd曲線圖如圖5a和圖5b所示。
對照例2
量取一定量的mxene納米片溶液，任意比例稀釋，然後採用相同的方式進行真空抽濾，壓片轉移到不鏽鋼網基底上，製備得到的單純mxene電極進行三電極測試，其三電極測試cv以及gcd曲線圖如圖6a和圖6b所示。
由實施例1-3和對比例1-2中可以得出，本發明所獲金屬氧化物以及mxene二維納米複合物與單純mxene以及金屬氧化物進行對比，性能上具有明顯的提升。
對照例3
採用高速離心的方式收集得到金屬氧化物和mxene納米片固體，將二者按照質量比4:1混合研磨，然後將混合粉末、乙炔黑、pvdf按照8:1:1的比例混合塗覆在不鏽鋼網上，作為電極進行三電極測試，其三電極測試cv以及gcd曲線圖如圖7a和圖7b所示。
本對照例將金屬氧化物與mxene進行簡單的物理混合製備電極，最終性能遠遠差於本發明的電化學性能，進一步證明了本發明採用簡單抽濾方式得到的複合電極的層層堆垛結構利於電子以及離子的傳輸，從而改善電化學性能。
通過實施例1-3，可以發現，藉由本發明的上述技術方案，通過一種簡單、可控的真空抽濾的方式，直接將金屬氧化物以及mxene二維納米片溶液混合，然後將得到的複合電極作為柔性電容器的柔性電極，以改善活性物質之間接觸不好的缺點。對利用本發明的複合物製備得到的複合電極直接進行三電極測試，並與單純mxene以及金屬氧化物進行對比，力學、電學性能上均具有明顯的提升。
此外，本案發明人還參照實施例1-實施例3的方式，以本說明書中列出的其它原料和條件等進行了試驗，並同樣製得了力學、電學性能優異的金屬氧化物/mxene二維納米複合物、複合電極以及柔性電容器。
應當理解的是，上述實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。