[发明专利]一种三维复合气凝胶电极材料的制备方法

说明书

本发明设计了一种三维复合气凝胶电极材料的制备方法，具体设计了一种NiCo‑LDH/MXene/rGO三维复合气凝胶电极材料的制备方法，通过对钛碳化铝中Al层的选择性刻蚀，制备层状MXene，通过水热反应，在MXene表面上生长NiCo‑LDH，随后混合氧化石墨烯，加热反应获得NiCo‑LDH/MXene/rGO水凝胶，经过冷冻干燥，获得NiCo‑LDH/MXene/rGO三维复合气凝胶。NiCo‑LDH/MXene/rGO复合气凝胶电极在1A/g的电流密度下，比电容为2675F/g，循环5000次后容量保持率为87.5％，库伦效率为94％。该制备方法具有设备简单、易于实现控制、工艺重复性好、产品质量稳定等优点，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种NiCo-LDH/MXene/rGO三维复合气凝胶电极材料的制备方法。

背景技术

近年来，超级电容器以其功率密度高，充放电速度快，循环稳定性好，可靠性高等特点，作为一种极具发展前景的储能和转换装置，受到人们的广泛关注。然而，传统的二维结构电极由于活性材料的体积小而无法储存较多的能量，因此在面积能量密度方面存在瓶颈。为了获得较高的区域能量密度，三维结构电极成为一种可能的解决方法。近年来，石墨烯衍生物和其他二维材料制成的三维结构电极在相关专业和学术领域引起了广泛关注。这种三维结构电极具有高负载活性材料、丰富的多孔结构和较大的比表面积，可以防止二维材料的不良自修复。因此，利用三维结构材料制作超级电容器电极是提高其储能能力的有效策略。然而，三维结构电极的力学性能普遍较差，回弹能力较差。2013年浙江大学高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，石墨烯气凝胶。由于石墨烯气凝胶通常具有优异的力学性能，同时具有高导电性，可与其他活性材料结合应用于催化和超级电容器。

目前，已有人采用MXene/rGO复合气凝胶制成三维超级电容器，MXene这类材料根据理论预测具有高弹性模量以及高载流子迁移率，它结合了过渡金属碳化物的金属导电性和其羟基或氧端表面的亲水性，MXene的二维形貌及良好的电导率使其成为锂离子电池，混合电池和超级电容器的极具前景的电极材料。但从目前的研究结果来看，这种由MXene/rGO复合气凝胶制成三维超级电容器，电化学性能和循环稳定性方面还存在一些不足。过渡金属层状双氢氧化物(LDH)具有表面体积比高，载流子传输扩散长度短，易于定制，成本低等特点。氢氧化镍和氢氧化钴是近年来研究最多的正极材料，因为它们具有高可逆充放电能力、高效和环保的性质。而镍钴层状双氢氧化物(NiCo-LDH)在电化学过程中融合了这两种材料的优点，且优于任何一种材料，因此被报道为极具发展前景的超电容材料之一，可以有效解决超级电容器在电化学性能及循环稳定性方面的问题。

发明内容

针对超级电容器在电化学性能及循环稳定性方面的问题，本发明提出了一种三维复合气凝胶电极材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

(1)以Ti₃AlC₂ MAX相为原料，通过对Al层的选择性刻蚀，制备层状Ti₃C₂ MXene胶体溶液：将氟化锂加入到盐酸溶液中，搅拌直到氟化锂完全溶解，然后缓慢加入Ti₃AlC₂MAX相(钛碳化铝)粉末，避免过热搅拌，所得产物用去离子水离心洗涤，离心至上清液pH值接近中性，然后将得到的固体分散于去离子水中，通入氮气超声处理，离心后，收集深绿色上清液，得到层状Ti₃C₂ MXene胶体溶液，填充氮气，放入冰箱保存；

(2)制备MXene/NiCo-LDH复合材料：将钴盐、镍盐溶解在MXene的溶液中，进行水热反应，反应后离心分离得到产物A，将产物A冷冻干燥得到MXene/NiCo-LDH复合材料；