一种MXene复合材料及其制备方法、系统和用途与流程

一种mxene复合材料及其制备方法、系统和用途
技术领域
1.本发明涉及mxene复合材料技术领域，尤其涉及一种mxene复合材料及其制备方法、系统和用途。


背景技术：

2.超级电容是介于传统电容和可充电电池之间的一种新型储能装置。作为一种典型的能量存储器件，它具有电容器快速充放电的特性，同时具有蓄电池储能的特点，典型的超级电容器的能量存储是通过电极与电解质界面形成的双电层来实现的，也因其具有高的功率密度、长的循环寿命和较好的稳定性等特点而备受技术人员的关注，使之在各个领域得到了广泛的应用。在众多电极材料中，二维固体材料由于电化学活性表面大，一直是产业界和学术界的研究热点。而mxene作为一类二维无机化合物，是一种新型的二维材料，具有类似石墨烯的结构，这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。它们的稳定性、比表面积以及导电性都十分突出，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究。
3.但和石墨烯类似，mxene在相邻片层间存在较强的范德华力，因此在电击的制备极过程中的聚集和自堆叠便不可避免。mxene的片层自堆叠导致其电化学利用率降低，阻碍电解液离子与片层表面的接触，因此性能有所下降。将其与其他材料进行复合，便能有效的解决mxene片层自堆积的问题从而提高其性能。同时，图案化工艺对于其在电子、电器元件方面的应用是必不可少的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种图案化mxene复合材料的制备方法，其利用电容器组的瞬间放电，极短时间内产生的极大冲击力，克服mxene片层之间的范德华力，从而阻止其聚集和自堆积。
5.本发明还提出一种电击制备图案化mxene复合材料的系统，其用于执行上述的一种图案化mxene复合材料的制备方法。
6.本发明还提出一种图案化mxene复合材料，其由上述的制备方法制备而成。
7.本发明还提出一种图案化mxene复合材料在制备超级电容器电极中的用途。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.一种图案化mxene复合材料的制备方法，包括以下步骤：
10.s1：配置mxene与四氧化三锰的混合粉末，并将其置于去离子水中，利用超声将混合粉末分散后，真空干燥处理，得到中间产物；
11.s2：将中间产物布料于模具上下两端之间的图案化区域内，图案化区域下方设置金属基板；
12.s3：将金属盖板放置于图案化区域上方；
13.s4：分别将金属基板和金属盖板连接电源，进行放电操作，在模具的图案化区域中
获得mxene
‑
四氧化三锰复合材料。
14.优选地，所述步骤s1中，mxene和四氧化三锰之间的质量比为(1.5～2.5)：1。
15.优选地，所述所述步骤s4中，电压值为120～180v，电容值为40～80mf，放电时间小于等于1秒。
16.优选地，所述图案化区域的形状为叉指型。
17.优选地，所述步骤s2中，向中间产物加入液体，使中间产物内的颗粒湿润，并暂时粘附于一体。
18.更优地，溶剂为去离子水，去离子水与中间产物之间的质量比为1：(4000～6000)。
19.优选地，所述步骤s4中，放电操作后，将mxene
‑
四氧化三锰复合材料放置泡沫镍上，并置于真空和干燥环境中处理后，获得mxene
‑
四氧化三锰复合材料。
20.一种电击制备图案化mxene复合材料的系统，包括：配料装置、超声装置、干燥装置、成型组件和电源；
21.所述配料装置，用于配置mxene与四氧化三锰的混合粉末，并将其置于去离子水中，形成混合粉末；
22.所述超声装置，用于对混合粉末进行超声波分散，形成悬浊液；
23.所述干燥装置，用于对悬浊液进行真空干燥，获得中间产物；
24.所述成型组件，包括：模具、金属基板和金属盖板；
25.所述模具设有用于放置所述中间产物的图案化区域；所述金属基板设置于所述图案化区域的一端，所述金属盖板设置于所述图案化区域的另一端，使所述中间产物设置于金属基板和金属盖板之间；
26.所述电源，通过导线分别导电连接于所述金属基板和所述金属盖板，用于放电。
27.一种图案化mxene复合材料，由上述图案化mxene复合材料的制备方法制备而成。
28.一种图案化mxene复合材料在制备超级电容器电极中的用途，所述图案化mxene复合材料由上述图案化mxene复合材料的制备方法制备而成。
29.本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
30.本发明利用放电加工方法与图案化模板结合，对加工材料进行精准放电加工，实现大量而快速的图案化mxene复合材料的制备，有效实现了将mxene与四氧化三锰复合的过程中直接完成使其图案化的操作，并且放电过程有效防止mxene自堆积现象，保留电极自身优势的同时满足了高效便捷、成本低、无污染等需求。
附图说明
31.图1是成型组件和电源放电时的其中一个实施例示意图；
32.图2是模具内未装入中间产物时的其中一个实施例的俯视图；
33.图3是模具内装满中间产物时的其中一个实施例的俯视图。
34.其中：
35.模具1、金属基板2、金属盖板3、图案化区域11、中间产物4。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.下面结合附图通过具体实施方式来进一步说明本方案的技术方案。
38.一种图案化mxene复合材料的制备方法，包括以下步骤：
39.s1：配置mxene与四氧化三锰的混合粉末，并将其置于去离子水中，利用超声将混合粉末分散后，真空干燥处理，得到中间产物；
40.超声过程中，mxene和四氧化三铁粉末在去离子水中先被均匀分散，同时超声可以使多层mxene尽可能剥离开，得到单层或少层的mxene。而后，形成所述中间产物的前体。其中一个实施例中，超声的时间至少为40～60分钟。如果超声时间不足，将会导致多层的mxene无法完全剥离开，同时mxene和四氧化三锰的混合粉末无法混合均匀；超声时间过长，可能导致中间产物的结构遭到破坏。同时，由于mxene本身具有良好的导电性，故步骤s1完成情况良好的情况下，无需再加入任何辅助导电的物质，以免影响最后mxene复合材料的结构。
41.同时，步骤s1中，将分散后的悬浊液置于真空干燥箱中，高温干燥温度为85～95℃，时间控制蒸干即可，后获得中间产物。经过步骤s1后，中间产物的状态为粉末状。本步骤中，为防止溶剂沸腾，温度不宜过高；如果温度过低，会导致高温干燥时间变长，从而延长整个周期。并且，由于mxene易被氧化，故本步骤中，在高温干燥时必须保证绝对真空环境。
42.s2：将中间产物布料于模具上下两端之间的图案化区域内，图案化区域下方设置金属基板；
43.本方案中的图案化区域，是可以根据需要而定制的，进而可以使最终mxene
‑
四氧化三锰复合材料根据定制的图案而成型，即利用模具确定图案化区域，根据所需复合材料厚度将中间产物置于金属基底板相应位置；模具，材质为绝缘物质，如陶瓷、石英玻璃、树脂等，厚度为具体厚度根据需求而定，优选为5～25mm。
44.s3：将金属盖板放置于图案化区域上方；
45.金属盖板接触于中间产物，使中间产物抵靠于金属基板上，并将中间产物限位于图案化区域内；
46.s4：分别将金属基板和金属盖板连接电源，进行放电操作，在模具的图案化区域中获得mxene
‑
四氧化三锰复合材料。
47.金属基板连接电源的正极(或负极)，金属盖板连接电源的负极(或正极)，瞬间的放电加工有效防止了mxene的聚集和自堆积现象。mxene在相邻片层间存在较强的范德华力，而在本发明中，利用电容器组的瞬间放电，极短时间内产生的极大冲击力，克服mxene片层之间的范德华力，从而阻止其聚集和自堆积，解决了现有技术中制备mxene的复合材料时不能完全克服范德华力。
48.优选地，由于放电加工过程会带来瞬间的高温，金属基板和金属盖板的材料为熔点较高的导电金属，如cu(铜)、co(钴)等。
49.金属盖板可以防止放电过程中产生的极大冲击力导致模具图案化区域中物质飞溅
50.本发明利用放电加工方法与图案化模板结合，对加工材料进行精准放电加工，实
现大量而快速的图案化mxene复合材料的制备，有效实现了将mxene与四氧化三锰复合的过程中直接完成使其图案化的操作，并且放电过程有效防止mxene自堆积现象，保留电极自身优势的同时满足了高效便捷、成本低、无污染等需求。综上，本发明具有以下优势：
51.1、通过本发明图案化mxene复合材料的制备方法，可以直接制得图案化mxene复合材料，成本低，操作简单。
52.2、电源瞬间的放电加工有效防止了mxene的聚集和自堆积现象。mxene在相邻片层间存在较强的范德华力，在现有的技术中，制备mxene的复合材料大多采用静电自组法、液相法、抽滤法等方法克服范德华力从而制备mxene复合材料，但这些方法往往很难完全克服范德华力。而在本发明中，利用电容器组的瞬间放电，极短时间内产生的极大冲击力，克服mxene片层之间的范德华力，从而阻止其聚集和自堆积。
53.3、通过瞬间放电加工，在极短的时间内完成mxene与四氧化三锰完全复合，形成mxene
‑
四氧化三锰复合材料。同时在电击过程中，利用范德华力使四氧化三锰和mxene牢固结合在一起，保证复合材料结构稳定性。
54.4、利用放电加工的高效，整个制备过程可以在短时间内完成大量产品的制备。
55.5、利用模具可确定图案化区域，同时确定所需复合材料厚度，且模具可以重复利用，精准、便捷且环保。
56.优选地，所述步骤s1中，mxene和四氧化三锰之间的质量比为(1.5～2.5)：1。
57.mxene与四氧化三锰的质量比不能过大或过小；mxene与四氧化三锰的质量比偏大，则在放电过程中，将有较多的mxene无法直接与四氧化三锰复合，导致电极性能下降；如果mxene与四氧化三锰的质量配比偏小，将有四氧化三锰残留无法复合，且过多的四氧化三锰可能导致四氧化三锰的聚集，从而导致mxene片层不能铺平，甚至发生弯曲，进而造成不必要的孔洞出现，这种情况也将导致电极性能下降。
58.优选地，所述所述步骤s4中，电压值为120～180v，电容值为40～80mf，放电时间小于等于1秒。
59.放电加工的方法，在电压到达一定值时才能够实现成功放电，且保证放电时的温度可以将混合粉末中部分水分蒸发；为达到瞬间的高温高压条件，本发明中放电过程利用电容器组实现，电容的大小决定了放电速度的快慢：电容越大，放点速度越快，从而获得较好的电击效果，保证了电击后复合材料的质量。如果电压值亦或是电容值较高，会导致跳闸等现象导致放电失败。而本方案的电压值可以为90v，更优为100v，进一步优化为110v，最优为120～180v，也可以为190v等。电容值可以为20mf，优选为30mf，更优为90mf，最优为40～80mf。
60.优选地，所述图案化区域的形状为叉指型。
61.叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容，如图2。本方案中的图案化区域使用形状为叉指型，叉指电极的超级电容器相较于堆叠结构，具有器件形态薄、离子传输性能强、更加轻便等特点，因此模具图案化区域设计为叉指型图案，可以成型出叉指型的mxene
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四氧化三锰复合材料。
62.优选地，所述步骤s2中，向中间产物加入液体，使中间产物内的颗粒湿润，并暂时粘附于一体。
63.步骤s2中，由于高温干燥后，中间产物为粉末状，粉末内的颗粒处于松散状，不易固定形态，故本方案优选在粉末状中间产物内加入液体，使中间产物内的颗粒湿润，以进一步地使颗粒与颗粒之间在湿润状态下通过液体粘附于一体，降低其活动性；其中，所加入的液体是可以去除的，液体如有机溶剂或无机溶剂等，只需经过简单的加热即可完全去除，将液体挥发，以使最终产品不外加入其他杂质。
64.更优地，溶剂为去离子水，去离子水与中间产物之间的质量比为1：(4000～6000)。
65.去离子水与中间产物的质量配比为：1份去离子水，(4000～6000)份中间产物。去离子水的添加量不能过多或过低，若去离子水过多，会导致加水后中间产物形成糊状，有一定的流动性，无法较好地成型出复合材料，以及无法固定在金属基板的所需位置，从而影响后续放电加工。若去离子水过少，粉末状中间产物不能完全与水结合，可能导致因去离子水黏合在一起的湿润粉末包裹着未被湿润的粉末状的中间产物，中间产物不同的形态可能导致电击结果的差异。
66.优选地，所述步骤s4中，放电操作后，将mxene
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四氧化三锰复合材料放置泡沫镍上，并置于真空和干燥环境中处理后，获得mxene
‑
四氧化三锰复合材料。
67.经步骤s4后，获得的图案化mxene
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四氧化三锰复合材料因放电过程中的高温环境，有部分液体蒸发，但因电容放电迅速，放电时间持续较短，故仍留有部分液体残留于复合材料中；因此，此时复合材料仍具有黏性。此时，将复合材料从图案化区域取出，放置于泡沫镍上，将泡沫镍连同复合材料置于真空干燥箱中，进行真空高温干燥，便获得超级电容器电极。其中，泡沫镍的大小根据图案化mxene复合材料的大小及所需电容器电极大小来决定，泡沫镍主要用于电池电极材料中，特别用于nimh电池。
68.泡沫镍，是以泡沫镍作为超级电容器基底，即泡沫镍基超级电容器电极。
69.一种电击制备图案化mxene复合材料的系统，包括：配料装置、超声装置、干燥装置、成型组件和电源；
70.所述配料装置，用于配置mxene与四氧化三锰的混合粉末，并将其置于去离子水中，形成混合粉末；
71.所述超声装置，用于对混合粉末进行超声波分散，形成悬浊液；
72.所述干燥装置，用于对悬浊液进行真空干燥，获得中间产物；
73.所述成型组件，包括：模具、金属基板和金属盖板；
74.所述模具设有用于放置所述中间产物的图案化区域；所述金属基板设置于所述图案化区域的一端，所述金属盖板设置于所述图案化区域的另一端，使所述中间产物设置于金属基板和金属盖板之间；
75.所述电源，通过导线分别导电连接于所述金属基板和所述金属盖板，用于放电。
76.本电击制备图案化mxene复合材料的系统，用于制备mxene
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四氧化三锰复合材料，通过电源的放电，电子通过导线流经金属基板和金属盖板，金属基板和金属盖板之间形成电容器组，并利用电容组放电瞬间释放电能，可以产生瞬时极大的库仑力，此冲击力不仅克服mxene团聚的范德华力，同时在放电产生瞬间高温的情况下，通过其sp2杂化共价键重新组合，实现mxene与四氧化三锰的完全复合，从而阻止mxene片层之间的聚集和自堆积。
77.一种图案化mxene复合材料，由上述图案化mxene复合材料的制备方法制备而成。
78.一种图案化mxene复合材料在制备超级电容器电极中的用途，所述图案化mxene复
合材料由上述图案化mxene复合材料的制备方法制备而成。
79.实施例1：
80.本实施例图案化mxene复合材料的制备方法，用于制备相对较厚的图案化mxene复合材料。
81.下面将结合附图1
‑
3，对本实施例作出进一步的说明：
82.s1：配置mxene与四氧化三锰的混合粉末，mxene和四氧化三锰的质量比为2：1，并将其置于去离子水中，mxene在去离子水的浓度为8mg/ml，利用超声将混合粉末分散40分钟后，在真空干燥箱中90℃高温中干燥，得到中间产物；
83.s2：将中间产物布料于模具的图案化区域内，位于铜质的金属基板的上方；图案化区域的图案，设计为叉指型图案；
84.s3：将铜质的金属盖板放置于图案化区域的上方；
85.s4：启动电源，进行放电操作，随后在模具图案化区域中获得mxene
‑
四氧化三锰复合材料；电压值为120v，电容值为40mf，放电时间小于1秒。
86.实施例2：
87.本实施例图案化mxene复合材料的制备方法，用于制备相对较厚的图案化mxene复合材料。
88.下面将结合附图1
‑
3，对本实施例作出进一步的说明：
89.s1：配置mxene与四氧化三锰的混合粉末，mxene和四氧化三锰的质量比为1.5：1，并将其置于去离子水中，mxene在去离子水的浓度为10mg/ml，利用超声将混合粉末分散60分钟后，在真空干燥箱中85℃高温中干燥，得到中间产物；
90.s2：向中间产物加入液体，使中间产物内的颗粒湿润，并暂时粘附于一体，去离子水与中间产物之间的质量比为1：5000；将中间产物布料于模具的图案化区域内，位于铜质的金属基板的上方；图案化区域的图案设计为叉指型图案；
91.s3：将铜质的金属盖板放置于图案化区域的上方；
92.s4：启动电源，进行放电操作，电压值为180v，电容值为80mf，放电时间小于1秒；随后将mxene
‑
四氧化三锰复合材料放置泡沫镍上，并置于真空和干燥环境中处理后，获得mxene
‑
四氧化三锰复合材料。
93.实施例3：
94.本实施例图案化mxene复合材料的制备方法，用于制备相对较厚的图案化mxene复合材料。
95.下面将结合附图1
‑
3，对本实施例作出进一步的说明：
96.s1：配置mxene与四氧化三锰的混合粉末，mxene和四氧化三锰的质量比为1.5：1，并将其置于去离子水中，mxene在去离子水的浓度为5mg/ml，利用超声将混合粉末分散70分钟后，在真空干燥箱中95℃高温中干燥，得到中间产物；
97.s2：向中间产物加入液体，使中间产物内的颗粒湿润，并暂时粘附于一体，去离子水与中间产物之间的质量比为1：4000；将中间产物布料于模具的图案化区域内，位于铜质的金属基板的上方；图案化区域的图案设计为叉指型图案；
98.s3：将铜质的金属盖板放置于图案化区域的上方；
99.s4：启动电源，进行放电操作，电压值为150v，电容值为60mf，放电时间小于1秒；随
后将mxene
‑
四氧化三锰复合材料放置泡沫镍上，并置于真空和干燥环境中处理后，获得mxene
‑
四氧化三锰复合材料。
100.以上结合具体实施例描述了本方案的技术原理。这些描述只是为了解释本方案的原理，而不能以任何方式解释为对本方案保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本方案的其它具体实施方式，这些方式都将落入本方案的保护范围之内。