本發(fā)明提供一種自支撐三維多孔MXene電極材料及其制備方法，所述材料有蜂窩狀三維多孔網(wǎng)絡結構碳骨架，MXene在碳骨架上均勻負載，且無序排列，其中孔徑范圍在100nm～20um,孔容積為1～5cm³g^?1，比表面積為50～200m²g^?1，MXene面載量在0.5～2.5mg/cm²。所述方法在三維碳骨架上成功負載MXene，所得材料制成電極應用在超級電容器中，表現(xiàn)出了相較于二維MXene材料更好的比電容、倍率性能以及循環(huán)性能。

技術領域

本發(fā)明涉及電化學領域，尤其自支撐多孔材料為基礎的電極及其制備方法。

背景技術

超級電容器，也稱電化學電容器，與二次電池相比，盡管超級電容器在相同體積下能夠提供電池100到1000倍的功率密度，但是相對于能量密度來講，通常情況下比電池要低3到30倍。這就使得超級電容器適合于那些需要應急電源但不需要高存儲能量的應用場合。相對于物理電容器來說，超級電容器的輸出功率較低，可以達到約10kW kg^-1，但是另一方面，超級電容器的能量密度比物理電容器高一個甚至幾個數(shù)量級。和電池相比，超級電容器的能量密度較低，限制了其發(fā)展，因此，提高其能量密度是當前迫切需要解決的問題。

自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，二維層狀材料因其獨特的物理性能與化學性能受到了強烈的關注。2011年，Naguib等人使用氫氟酸液相刻蝕MAX相陶瓷的方法得到了一種新型片層材料，因其具有類似石墨烯的二維片層結構，被并命名為MXene。Ti₃C₂T_x作為最早開發(fā)出來的MXene材料，因為其具有金屬的導電性，高容量和親水表面的特性，高度可調(diào)節(jié)的活性化學表面，已經(jīng)在超級電容器，鋰離子、鈉離子電池，電磁屏蔽，傳感器，生物醫(yī)學與成像中進行了廣泛的探索。

但是MXene材料有著和其他二維材料一樣的缺點，容易發(fā)生堆疊，變?yōu)槿鄙賹娱g缺少空隙的緊密排列。這個問題會使MXene的比表面積減小，阻礙離子的滲透，還限制了表面對其他物質(zhì)的吸附活性，使得MXene的各方面性能大幅降低。為了保證MXene比表面積的大小，將納米MXene片層作為基礎單元，組裝成具有多孔三維網(wǎng)絡結構的MXene材料，保證MXene的比表面積大小，防止其堆疊，以表現(xiàn)出優(yōu)異的儲能性能。

將二維MXene構筑成三維結構的方法有很多，可以概括性的分為模板法，自組裝法，誘導法以及其他方法。模板法是先制作具有三維結構的骨架材料，然后用靜電吸附等手段，將MXene片層負載在模板上。模板法還可以進一步處理，通過惰性氣體保護下熱處理或凍干的方式，將原有的模板去除，保留MXene的三維構架。組裝法是將MXene與其他納米材料在分散介質(zhì)中混合，然后通過保護氣下熱處理或凍干的方式去除分散劑，得到三維結構的MXene。誘導法是利用MXene表面帶負電的特性，通過改變pH或添加離子等方式，使MXene快速絮凝凍干，得到具有三維褶皺的MXene。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種自支撐三維多孔MXene電極材料及其制備方法，該方法在三維碳骨架上成功負載MXene，所得材料制成電極應用在超級電容器中，表現(xiàn)出了相較于現(xiàn)有技術中的其它MXene材料更好的比電容、倍率性能以及循環(huán)性能。

本發(fā)明首先提供一種自支撐三維多孔MXene電極，其特征在于，所述材料有蜂窩狀三維多孔網(wǎng)絡結構碳骨架，MXene在碳骨架上均勻負載，且無序排列，其中孔徑范圍在100nm～20um,孔容積為1～5cm³ g^-1，比表面積為50～200m² g^-1，優(yōu)選100～200m² g^-1，MXene面載量在0.5～2.5mg/cm²，優(yōu)選1.5～2.5mg/cm²。