本發(fā)明涉及一種金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物的制備方法，特別是涉及一種金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物及其制備方法，以及其用于柔性電容器的方法，屬于納米復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可再生能源的儲存和轉(zhuǎn)化引起了人們的廣泛關(guān)注，電容器作為一種優(yōu)異的儲存裝置顯得尤為突出，其具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。需要注意的是，各類柔性電子器件的發(fā)展，引起了柔性電容器的產(chǎn)生。二維材料由于自身的優(yōu)點(diǎn)，在柔性電容器的發(fā)展過程中占得了一席之地。其中，過渡金屬氧化物自身電容性能較高，脫穎而出，但由于其導(dǎo)電性差，限制了應(yīng)用，所以目前各研究者集中改善其導(dǎo)電性，主要是將金屬氧化物與各種導(dǎo)電性較好的物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，例如，石墨烯、導(dǎo)電高分子以及各種碳材料。但是，大部分導(dǎo)電材料僅具有良好導(dǎo)電性，水溶性較差，與金屬氧化物不能較好結(jié)合。因此，發(fā)現(xiàn)一種既具有良好導(dǎo)電性，又可以與金屬氧化物具有良好相容性的物質(zhì)，是目前研究的熱點(diǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物、其制備方法與應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

本發(fā)明實施例提供了一種金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)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(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，所述金屬氧化物納米片與mxene二維納米片的質(zhì)量比為1:1～9:1。

本發(fā)明實施例還提供了一種制備所述金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物的方法，其包括：

將金屬氧化物納米片與mxene二維納米片于溶劑中混合均勻，得到混合溶液，將所述混合溶液進(jìn)行真空抽濾，獲得金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物。

本發(fā)明實施例還提供了前述的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物于制備電極或電容器中的用途。

例如，本發(fā)明實施例還提供了一種復(fù)合電極，其包含前述的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物。

本發(fā)明實施例還提供了前述的復(fù)合電極的制備方法，其包括：對所述金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物進(jìn)行加壓處理，形成復(fù)合電極。

又例如，本發(fā)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(zhì)，所述電極包括前述的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物或復(fù)合電極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)至少在于：

1)本發(fā)明提供的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物將金屬氧化物與mxene復(fù)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(dǎo)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(fā)明的復(fù)合物制備得到的復(fù)合電極直接進(jìn)行三電極測試，并與單純mxene以及金屬氧化物進(jìn)行對比，性能上具有明顯的提升。另外，本發(fā)明還將金屬氧化物與mxene進(jìn)行簡單的物理混合制備電極，最終性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于本發(fā)明的電化學(xué)性能，進(jìn)一步證明了本發(fā)明采用簡單抽濾方式得到的復(fù)合電極的層層堆垛結(jié)構(gòu)利于電子以及離子的傳輸，從而改善電化學(xué)性能；

2)本發(fā)明提供的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物的制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之間的互溶性良好復(fù)合，然后將得到的復(fù)合電極作為柔性電容器的柔性電極，以改善活性物質(zhì)之間接觸不好的缺點(diǎn)。

3)本發(fā)明提供的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物，同時利用了mxene良好的導(dǎo)電性以及水溶性，通過與金屬氧化物的充分良好接觸，達(dá)到最終改善金屬氧化物導(dǎo)電性的效果，進(jìn)而提升復(fù)合電極的電化學(xué)性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一典型實施例中金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物的制備方法示意圖；

圖2a-圖2e是本發(fā)明一典型實施例中制備的柔性復(fù)合電極的照片示意圖；

圖3a和圖3b是本發(fā)明一典型實施例中金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物的sem圖像；

圖4a和圖4b是本發(fā)明一典型實施例中制備的柔性復(fù)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(tǒng)電極制備方法復(fù)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(fā)明實施例2中制備的柔性電容器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8b是本發(fā)明實施例2中制備的柔性電容器的柔性表征示意圖。

具體實施方式

針對現(xiàn)有技術(shù)的諸多缺陷，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實踐，提出本發(fā)明的技術(shù)方案，如下將對該技術(shù)方案、其實施過程及原理等作進(jìn)一步的解釋說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(實施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以相互結(jié)合，從而構(gòu)成新的或者優(yōu)選的技術(shù)方方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本發(fā)明實施例的一個方面提供的一種金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)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(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，所述金屬氧化物納米片與mxene二維納米片的質(zhì)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二維納米復(fù)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(yōu)選的，所述金屬氧化物納米片包括mno2、zno、v2o5、fe3o4等，但不限于此。

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(jìn)一步的，所述mxene二維納米片包括ti3c2、ti2c、nb4c43等，但不限于此。

本發(fā)明實施例的另一個方面提供的一種制備所述金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)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二維納米片于溶劑中混合均勻，得到混合溶液，將所述混合溶液進(jìn)行真空抽濾，獲得金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物。

作為較佳實施方案之一，所述制備方法具體包括：

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(jìn)行真空抽濾，獲得金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物。

優(yōu)選的，所述金屬氧化物納米片與mxene二維納米片的質(zhì)量比為1:1～9:1。

進(jìn)一步的，所述真空抽濾的壓力為5～20mpa左右。

進(jìn)一步的，所述溶劑包括超純水和乙醇等醇類溶劑，但不限于此。

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(yōu)選的，所述金屬氧化物納米片包括mno2、zno、v2o5、fe3o4等，但不限于此。

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(jìn)一步的，所述mxene二維納米片包括ti3c2、ti2c、nb4c43等，但不限于此。

本發(fā)明提供的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物的制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，然后將得到的復(fù)合電極作為柔性電容器的柔性電極，以改善活性物質(zhì)之間接觸不好的缺點(diǎn)。

本發(fā)明實施例的另一個方面還提供了前述的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物于制備電極或電容器中的用途。

例如，參閱圖2a-圖2e所示，本發(fā)明實施例還提供了一種具備柔性的復(fù)合電極，其包含前述的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物。

本發(fā)明實施例還提供了前述的復(fù)合電極的制備方法，其包括：對所述金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物進(jìn)行加壓處理，形成復(fù)合電極。

進(jìn)一步的，所述制備方法包括：至少以壓片的方式將所述金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物形成于選定基底上，獲得復(fù)合電極。

進(jìn)一步的，所述基底包括不銹鋼網(wǎng)基底，但不限于此。

又例如，為了證明該復(fù)合電極的實用性，本發(fā)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(zhì)(尤其是隔膜電解質(zhì))，所述電極包括前述的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物或復(fù)合電極。

綜上所述，藉由上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物將金屬氧化物與mxene復(fù)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(dǎo)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(fā)明的復(fù)合物制備得到的復(fù)合電極直接進(jìn)行三電極測試，并與單純mxene以及金屬氧化物進(jìn)行對比，性能上具有明顯的提升。

以下通過若干實施例并結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。然而，所選的實施例僅用于說明本發(fā)明，而不限制本發(fā)明的范圍。

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(zhì)量比進(jìn)行超聲混合，然后進(jìn)行真空抽濾，然后將得到的復(fù)合電極通過壓片的方式轉(zhuǎn)移到不銹鋼網(wǎng)基底上以便于進(jìn)行電化學(xué)測試。制備得到的柔性復(fù)合電極采用三電極的方式進(jìn)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(zhì)量比進(jìn)行超聲混合，然后進(jìn)行真空抽濾，然后將得到的復(fù)合電極通過壓片的方式轉(zhuǎn)移到不銹鋼網(wǎng)基底上以便于進(jìn)行電化學(xué)測試。制備得到的柔性復(fù)合電極采用三電極的方式進(jìn)行測試，其三電極測試cv以及gcd曲線圖可參閱圖4a和圖4b。將該柔性復(fù)合電極進(jìn)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(jìn)行柔性表征，其性能參數(shù)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(zhì)量比進(jìn)行超聲混合，然后進(jìn)行真空抽濾，然后將得到的復(fù)合電極通過壓片的方式轉(zhuǎn)移到不銹鋼網(wǎng)基底上以便于進(jìn)行電化學(xué)測試。制備得到的柔性復(fù)合電極采用三電極的方式進(jìn)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，然后采用相同的方式進(jìn)行真空抽濾，壓片轉(zhuǎn)移到不銹鋼網(wǎng)基底上，制備得到的單純金屬氧化物電極進(jìn)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，然后采用相同的方式進(jìn)行真空抽濾，壓片轉(zhuǎn)移到不銹鋼網(wǎng)基底上，制備得到的單純mxene電極進(jìn)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(fā)明所獲金屬氧化物以及mxene二維納米復(fù)合物與單純mxene以及金屬氧化物進(jìn)行對比，性能上具有明顯的提升。

對照例3

采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(zhì)量比4:1混合研磨，然后將混合粉末、乙炔黑、pvdf按照8:1:1的比例混合涂覆在不銹鋼網(wǎng)上，作為電極進(jìn)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(jìn)行簡單的物理混合制備電極，最終性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于本發(fā)明的電化學(xué)性能，進(jìn)一步證明了本發(fā)明采用簡單抽濾方式得到的復(fù)合電極的層層堆垛結(jié)構(gòu)利于電子以及離子的傳輸，從而改善電化學(xué)性能。

通過實施例1-3，可以發(fā)現(xiàn)，藉由本發(fā)明的上述技術(shù)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，然后將得到的復(fù)合電極作為柔性電容器的柔性電極，以改善活性物質(zhì)之間接觸不好的缺點(diǎn)。對利用本發(fā)明的復(fù)合物制備得到的復(fù)合電極直接進(jìn)行三電極測試，并與單純mxene以及金屬氧化物進(jìn)行對比，力學(xué)、電學(xué)性能上均具有明顯的提升。

此外，本案發(fā)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(jìn)行了試驗，并同樣制得了力學(xué)、電學(xué)性能優(yōu)異的金屬氧化物/mxene二維納米復(fù)合物、復(fù)合電極以及柔性電容器。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。