[发明专利]一种石墨烯碳化钛复合多孔凝胶薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯碳化钛复合多孔凝胶薄膜及其制备方法和应用。本发明制备方法以氧化石墨烯凝胶和Ti₃C₂为前驱体，利用氧化石墨烯凝胶与Ti₃C₂混合形成复合水凝胶，然后利用氢氧化钠的絮凝作用，实现多孔水凝胶复合薄膜的制备，并采用化学还原得到石墨烯/Ti₃C₂复合凝胶薄膜。用此种方法制备的石墨烯/Ti₃C₂复合薄膜具有氧化石墨烯凝胶骨架的多孔结构，可增加电极材料内离子扩散通道和活性位点，提升电极材料的电化学性能。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料制备技术领域，特别是涉及一种石墨烯碳化钛复合多孔凝胶薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是一种以碳原子SP2杂化链接形成的单层六元环二维材料，具有优异的力学性能、电学性能以及热学性能，广泛的应用于在材料、储能等方面。与其他获得石墨烯的方法相比，通过化学剥离产生的氧化石墨烯制备石墨烯薄膜，只需进行简单的工艺如过滤、喷涂、流延等工艺就能组装成膜，成本低，适合大规模生产。

与石墨烯材料类似，Ti₃C₂材料也是二维层状结构，且具备较大的比表面积、高电导率（高达≈10⁴S·cm^-1），出色的机械性能（杨氏模量≈330Gpa）和高的比电容（高达≈1500F·cm^-3），由于这一系列优异性能的组合，Ti₃C₂材料被广泛应用于各类新型储能器件（锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池等)、环保材料、催化材料等领域。

但是，层状Ti₃C₂材料在电化学反应过程中容易发生层状材料的堆叠，导致大量离子吸附位点丢失，离子扩散阻抗增大，器件性能显著降低。

比如，公开号为CN111816868A的发明公开了一种二硫化锡包覆二维层状碳化钛电极材料，层状结构的碳化钛由片状钛碳化铝电解氧化得到，电解所需电解质由NH₄Cl溶液和四甲基氢氧化铵（TMA·OH）溶液组成，电解质中含有少量极性溶剂N-N二甲基酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮，在反应过程中水溶液中的NH4⁺和阴极产生的OH^-反应得到的产物与阳极产物AlCl₃反应再次生成Cl^-，而极性溶剂可以促进Cl^-的转移，提高剥离效果，制备得到的二维层状碳化钛置于二甲基四氢呋喃水溶液当中搅拌过夜处理，含有微量二甲基四氢呋喃的二硫化锡包覆二维层状碳化钛电极材料，有利于增强Li⁺的传导率，可以大大提高二硫化锡包覆二维层状碳化钛电极材料充放电循环效率以及比容量，有利于工业化生产。

再比如，公开号为CN111799097A的发明公开了一种基于固态电解质石墨烯/MXene复合纤维柔性电极材料及可编织超级电容器的制备方法，通过改进的Hummers法和刻蚀法制备出高性能的氧化石墨烯和MXene纳米片，利用二者的液晶自组装行为，通过湿法纺丝制备出宏观石墨烯/MXene复合纤维电极材料并将其组装成超级电容器。将MXene纳米片插入至石墨烯片层之间，不仅能有效抑制石墨烯片层的堆叠，还可以增加石墨片层的间距使其形成良好的交替排列结构，有利于电解质离子的快速扩散和传输，提高了石墨烯/MXene复合纤维中电解液离子和石墨烯及MXene材料中活性点位的利用率；同时，由于MXene本身具有良好的导电性，在充放电过程中易于离子的快速转移，降低了内部阻抗，使得其电容性能大幅提高。

然而，上述现有技术中制备的产物依然是层状的结构，相关问题依旧存在。公开号为CN111816868A的发明申请中和公开号为CN111799097A的发明申请中二维Mxene的结构主要以平面片层为主，在组装成宏观的薄膜或者纤维的过程中，由于Mxene的高比表面积会导致片层出现层层堆叠的现象，从而会导致实际的复合薄膜或者纤维的有效活性位点降低。

发明内容