[发明专利]超薄Ti3C2纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，具体为一种超薄Ti₃C₂纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法。

背景技术

当前，能源问题是影响人类未来生存和发展的主要问题之一。由于自然资源日趋短缺，为实现可持续发展，新能源和环保技术的开发和利用成为当前十分紧迫的课题。而超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，被认为是一种可以部分或全部替代传统的化学电池的高能化学电源。

超级电容器又叫电化学电容器，它是一种电化学元件，按储能机理来分，其可分为双电层电容器(EDLC)，氧化还原型电化学电容器(赝电容器)，双电层电容器和赝电容器的混合体系。尽管目前具有许多潜在的材料和器件构造，双电层电容器是电化学电容器中发展最快的，并且已经占领了市场。双电层电容器是一个能够在一个静电场储能而非化学形式储能的无源元件，其可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电场，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而形成两个容性存储层，其储能的过程并不发生化学反应，储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。在超级电容器的研究中，电极材料是影响电化学电容性能的核心因素之一，是当前研究的热点。

目前，电容器用电极材料主要有：碳基电极材料、金属氧化物基电极材料和导电聚合物基电极材料。碳电极的研究主要集中在制备高比表面积的多孔电极上，可用作超级电容器电极的碳材料主要有：活性炭粉末、纳米碳管、炭黑、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶以及石墨烯等。文献Nano Letter,11,2472,(2011)利用N掺杂的还原型氧化石墨烯，在水系电解质中获得282F g^-1的比容量，是目前单一体系碳材料中所能达到的最大比容量。碳材料虽然具有非常高的比表面积，但是其内阻较大，导电性较差，并且正极比容量相对比较低，这必将影响到电容器的整体性能。另外一类研究最广泛的电极材料为金属氧化物，其中以RuO₂等贵金属研究最多。由于RuO₂的电导率比碳材料大两个数量级且电极在硫酸溶液中稳定，所以获得了很高的比容量，制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能。RuO₂材料在H₂SO₄电解质中，比容量高达720～768F g^-1，但是贵金属资源有限，并且价格昂贵，这极大地限制了这类电极材料的大规模应用。最近，文献Nature,(2015),DOI:10.1038/nature13970，利用二维Ti₃C₂纳米材料类似粘土的特点通过辊压的方式制成超级电容器薄膜电极，其5μm厚的电极比容量达到246F g^-1，但是这种方式制得的电极其导电性不是很好，而且在有外力的情况下，其片层之间的堆叠会更加紧密，离子扩散通道变窄，这必将影响电容器的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超薄Ti₃C₂纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，解决了现有超级电容器比容量低、价格昂贵等问题。

本发明的技术方案是：

一种超薄Ti₃C₂纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)以Ti₃AlC₂块体作为前驱体，浸泡到氢氟酸溶液中，通过HF选择性刻蚀掉Ti₃AlC₂中Al原子层得到Ti₃C₂粉末，用去离子水将其清洗、抽滤；然后将Ti₃C₂粉末在分散剂中分散，超声，再离心，上层液体即为超薄二维Ti₃C₂纳米片悬浮液；

(2)将上述制得的Ti₃C₂纳米片悬浮液均匀涂覆在多孔导电基体上，低温烘干自组装成复合型超级电容器电极；然后以离子通透膜作为隔膜，组装成对称型超级电容器，在酸性电解液中进行电化学性能测试。

所述的超薄Ti₃C₂纳米片自组装的超级电容器电极的制备方法，Ti₃AlC₂块体为无压烧结的多孔体。