本發(fā)明涉及水系電池領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，新型水系可充電電池(arbs)憑借其成本低廉、固有安全性、環(huán)境友好性及卓越的電化學(xué)性能，贏得了廣泛的關(guān)注與青睞。在這一領(lǐng)域中，水系銨離子電池(aibs)因銨根離子所具備的成本效益、低摩爾質(zhì)量以及快速的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性，而日益成為研究熱點(diǎn)。然而，aibs目前仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，其中，高性能正極材料的研發(fā)成為了制約其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵要素。

2、其中，mxenes——一類新興的二維(2d)過(guò)渡金屬碳氮化合物，自2011年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而備受矚目，如卓越的機(jī)械強(qiáng)度、高金屬導(dǎo)電性、豐富的表面官能團(tuán)以及良好的親水性。近年來(lái)，mxenes在水系離子電池電極材料領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。然而，mxene表面被端基覆蓋，導(dǎo)致mxene過(guò)渡金屬層的儲(chǔ)能潛力未被充分利用；同時(shí)，mxene的納米級(jí)片層之間存在強(qiáng)烈的相互作用，二維片層結(jié)構(gòu)容易重新堆疊，形成多層甚至三維體相結(jié)構(gòu)。這種堆疊現(xiàn)象不僅降低了mxenes層狀結(jié)構(gòu)的利用率，還減少了其活性位點(diǎn)并影響了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而制約了mxenes儲(chǔ)能性能的充分發(fā)揮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明通過(guò)氫氟酸刻蝕mo4/3sc2/3alc，得到多層mxene?mo4/3ctx；然后向多層mxene?mo4/3ctx中加入插層劑，得到少層mxene?mo4/3ctx，將苯胺、鹽酸、過(guò)硫酸銨和少層mxene?mo4/3ctx混合后進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，得到金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料。本發(fā)明的制備方法制得的金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料不僅克服了mxene因表面端基覆蓋導(dǎo)致的過(guò)渡金屬層儲(chǔ)能潛力未被充分利用的問(wèn)題，還通過(guò)原位聚合反應(yīng)將聚苯胺均勻地包覆在mxene的納米級(jí)片層上，有效阻止了片層之間的重新堆疊，保持了mxenes的層狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料儲(chǔ)能性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)提升。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、s1、將氫氟酸、mo4/3sc2/3alc混合后進(jìn)行刻蝕處理，刻蝕處理過(guò)程中，氫氟酸作為刻蝕劑，刻蝕除去mo4/3sc2/3alc的al層和sc層，得到多層mxene?mo4/3ctx。

5、s2、向多層mxene?mo4/3ctx中加入插層劑，插層劑分子進(jìn)入mxene的層間空間，與mxene層間的相互作用力克服層間的范德華力，使得mxene層被剝離和分散，得到少層mxenemo4/3ctx；多層mxene直接進(jìn)行原位聚合時(shí)，不僅無(wú)法充分發(fā)揮mxene大比表面積的儲(chǔ)能性能，還會(huì)由于mxene表層堆積影響聚苯胺的負(fù)載，導(dǎo)致影響整體金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料的性能。

6、s3、將苯胺、鹽酸、過(guò)硫酸銨和少層mxene?mo4/3ctx混合后進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，原位聚合反應(yīng)過(guò)程中，鹽酸和過(guò)硫酸銨共同作為引發(fā)劑，鹽酸提供酸性環(huán)境，而過(guò)硫酸銨在酸性條件下分解產(chǎn)生自由基，促使苯胺通過(guò)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)轉(zhuǎn)化為聚苯胺，并負(fù)載于少層mxenemo4/3ctx的納米層狀結(jié)構(gòu)上，得到金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料；其中，苯胺、鹽酸、過(guò)硫酸銨和少層mxene?mo4/3ctx的質(zhì)量比為1：3：0.5：5～10；以mxene?mo4/3ctx含量為標(biāo)準(zhǔn)，用量過(guò)多或過(guò)少均會(huì)導(dǎo)致聚苯胺在mxene?mo4/3ctx表面的形貌改變；用量過(guò)少時(shí)，分布不均勻；用量過(guò)多，導(dǎo)致堆積，使得分散度變差。

7、優(yōu)選的，苯胺、鹽酸、過(guò)硫酸銨和少層mxene?mo4/3ctx的質(zhì)量比為1：3：0.5：8。

8、優(yōu)選的，原位聚合反應(yīng)的條件為：于-5℃～0℃下攪拌12h～15h。

9、優(yōu)選的，氫氟酸與mo4/3sc2/3alc的質(zhì)量比為4.8～10.2：1～2；該質(zhì)量比下所刻蝕出的多層mxene?mo4/3ctx產(chǎn)率高，且損失少。

10、優(yōu)選的，刻蝕處理的操作為：將氫氟酸和mo4/3sc2/3alc混合后，于30℃～35℃下攪拌24h～36h；其中，氫氟酸與mo4/3sc2/3alc的質(zhì)量比為4.8～10.2：1～2。

11、優(yōu)選的，插層處理的方法為：向多層mxene?mo4/3ctx中加入插層劑，混合均勻后經(jīng)離心、洗滌得到；其中，插層劑與多層mxene?mo4/3ctx的用量比為5ml～7ml：1g～2g。

12、優(yōu)選的，插層劑選自陽(yáng)離子型表面活性劑或有機(jī)堿。

13、優(yōu)選的，陽(yáng)離子型表面活性劑選自烷基胺鹽或季銨鹽。

14、優(yōu)選的，有機(jī)堿選自四丁基氫氧化銨、異丙胺或正丁基胺。

15、優(yōu)選的，氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48％～51％；其中，氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于48％，刻蝕處理過(guò)程不完全；氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于51％，使得刻蝕處理劇烈，造成過(guò)刻蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致多層mxene?mo4/3ctx的產(chǎn)率降低。

16、優(yōu)選的，混合處理的條件為：于400rpm～600rpm的攪拌速率下攪拌10min～15min。

17、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述制備方法制得的金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料。

18、優(yōu)選的，金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料中，金屬空位mxene與聚苯胺原位復(fù)合，聚苯胺為片層狀，且片層狀的聚苯胺垂直分散在mxene片層表面。

19、本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供上述金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料在制備水系銨離子電池正極材料中的應(yīng)用。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

21、1、本發(fā)明提供了一種金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料的制備方法，將mo4/3sc2/3alc進(jìn)行刻蝕處理，得到多層mxene?mo4/3ctx；將多層mxene?mo4/3ctx進(jìn)行插層處理，得到少層mxene?mo4/3ctx；將苯胺、鹽酸、過(guò)硫酸銨和少層mxene?mo4/3ctx混合后，進(jìn)行原位聚合反應(yīng)并生成聚苯胺，聚苯胺負(fù)載于少層mxene?mo4/3ctx的納米層狀結(jié)構(gòu)上，得到金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料；其中，苯胺、鹽酸、過(guò)硫酸銨和少層mxene?mo4/3ctx的質(zhì)量比為1：3：0.5：5～10。本發(fā)明的制備方法制得的金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料不僅克服了mxene因表面端基覆蓋導(dǎo)致的過(guò)渡金屬層儲(chǔ)能潛力未被充分利用的問(wèn)題，還通過(guò)原位聚合反應(yīng)將聚苯胺均勻地包覆在mxene的納米級(jí)片層上，有效阻止了片層之間的重新堆疊，保持了mxenes的層狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料儲(chǔ)能性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)提升。

22、2、本發(fā)明所制備的金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料具有高導(dǎo)電性，在復(fù)合材料中，聚苯胺以片層狀垂直分散于mxene?mo4/3ctx片層表面，賦予了金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料良好的離子傳導(dǎo)與電池傳輸性能；同時(shí)，聚苯胺對(duì)mxene?mo4/3ctx片層結(jié)構(gòu)起到了有效的柱撐作用，從而顯著增強(qiáng)了金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，聚苯胺作為一種高性能的導(dǎo)電聚合物，進(jìn)一步增強(qiáng)了金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料的導(dǎo)電性，促進(jìn)了電荷在金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料中的傳輸，從而顯著提高了金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料在水系離子電池中的儲(chǔ)能性能。

23、3、本發(fā)明的金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，金屬空位主要位于mxene的過(guò)渡金屬層中。這些金屬空位的存在使得原本被表面端基覆蓋的過(guò)渡金屬原子得以部分暴露。這種暴露不僅激活了mxene材料過(guò)渡金屬層上的電化學(xué)活性位點(diǎn)，還顯著提升了mxene材料的綜合電化學(xué)性能，包括電子和離子的傳輸性能以及材料的穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明制得的金屬空位mxene-聚苯胺復(fù)合材料因其本征的親水性，使其在水系電池領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。