一种三维多孔Ti3C2Tx膜材料及其制备方法和用途与流程

本发明属于多孔材料，尤其是涉及一种三维多孔ti3c2tx膜材料及其制备方法和用途。

背景技术：

1、ti3c2tx作为典型的mxenes(新型二维层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物)材料，因其具有类金属导电性、氧化还原反应赝电容机制(高电容)、大密度(高体积电容)、可调节表面末端官能团等特性，在超级电容器电极材料领域具有广泛的应用前景。然而，ti3c2tx纳米片之间存在强的范德华力，在电极制备过程中易发生自堆叠或聚集，导致纳米片活性面积减少、离子动态扩散受阻、电解质离子可及性降低，所以抑制ti3c2tx纳米片自堆叠或聚集，实现其性能的最优化，对于ti3c2tx基超级电容器的应用和发展至关重要。

2、三维结构的构建是抑制ti3c2tx纳米片自堆叠或聚集的非常有效的办法。三维ti3c2tx不仅具有二维ti3c2tx的优点，而且具有以下独特优势：(1)离子可及表面积大，活性位点多，允许足够的电化学反应发生；(2)发达且相互连接的多孔结构为电解质的扩散提供丰富的路径，并且ti3c2tx高导电性使多孔框架内电荷快速移动；(3)丰富的表面官能团(-o、-oh、-f)可以作为各种有机和无机物结合位点，以创建不同复杂性和实用性的三维ti3c2tx结构；(4)三维导电拓扑结构能够确保在整个致密电极总体积中具有出色的电荷转移性能。

3、然而，现有技术制备的三维多孔ti3c2tx膜内部孔隙分布不均，ti3c2tx纳米片之间仍存在堆叠和聚集，从而限制了其作为电极材料在能源领域的广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法。该制备方法通过将ti3c2tx纳米片滴加入表面活性剂f127溶液中并进行搅拌，使表面活性剂f127作为软模板与ti3c2tx纳米片进行自组装，通过真空抽滤及干燥处理后形成膜，再通过热解使膜结构内的表面活性剂f127分解成气体排出，得到三维互联孔隙结构的ti3c2tx膜材料，解决了现有技术制备的三维多孔ti3c2tx膜内部孔隙分布不均、ti3c2tx纳米片间存在堆叠和聚集的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

3、步骤一、将ti3c2tx纳米片分散溶液滴加入表面活性剂f127溶液中搅拌，得到混合溶液；

4、步骤二、将步骤一中得到的混合溶液进行真空抽滤，干燥后形成膜；

5、步骤三、将步骤二中形成的膜置于管式炉中进行热解，随后自然冷却，得到三维多孔ti3c2tx膜材料。

6、本发明通过采用表面活性剂f127溶液作为软模板，用于与ti3c2tx纳米片发生自组装，通过搅拌、真空抽滤及干燥使表面活性剂f127均匀分布在膜内部；通过对膜进行热解，能够将膜内的表面活性剂f127完全分解去除，留下相应的孔隙，制得三维多孔ti3c2tx膜材料，其中tx为表面官能团。

7、上述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述ti3c2tx纳米片分散溶液的浓度为0.5mg/ml～5mg/ml。

8、本发明通过控制ti3c2tx纳米片分散溶液的浓度范围，有利于实现ti3c2tx纳米片与表面活性剂f127的自组装过程发生，从而构建出三维多孔结构；ti3c2tx纳米片分散溶液的浓度低于0.5mg/ml时，膜材料易发生断裂的现象，ti3c2tx纳米片分散溶液的浓度高于5mg/ml时，自组装过程自组装过程不易发生，或膜内部空隙较少影响材料的性能。

9、上述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述表面活性剂f127溶液的浓度为0.5mg/ml～10mg/ml。

10、本发明通过设置表面活性剂f127溶液的浓度范围，使得所制备的样品三维多孔结构明显，当表面活性剂f127溶液浓度低于0.5mg/ml时，难以在ti3c2tx膜材料内部构建大量孔隙实现三维多孔结构，浓度高于10mg/ml会导致热解过程中产生的气体排出时带走部分ti3c2tx纳米片，使ti3c2tx膜材料产生严重损失。

11、上述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述搅拌时长为0.25h～2h。

12、本发明通过控制搅拌时长，用于保证充分完成ti3c2tx纳米片与表面活性剂f127自组装。

13、上述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述热解的过程为：在氩气条件下，以1℃/min～10℃/min的速率升温至300℃～400℃，保温0.5～3h。

14、本发明通过控制热解温度范围和保温时间，用于确保表面活性剂f127完全分解，留下孔隙实现三维多孔结构的构建。

15、本发明还公开了一种三维多孔ti3c2tx膜材料，其特征在于，由上述方法制得。

16、上述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料，其特征在于，所述三维多孔ti3c2tx膜材料内部的孔隙结构三维互联。

17、此外，本发明还公开了上述三维多孔ti3c2tx膜材料的用途，其特征在于，所述三维多孔ti3c2tx膜材料用作自支撑电极材料。

18、本发明与现有技术相比具有以下优点：

19、1、本发明通过将表面活性剂f127作为软模板，并采用滴加、搅拌的方法将ti3c2tx纳米片与表面活性剂f127混合并发生自组装，使得表面活性剂f127能够均匀分布在真空抽滤、干燥后形成的膜内部，进而使热解后的三维多孔ti3c2tx膜材料具有三维互联的孔隙结构，有效减少ti3c2tx纳米片之间出现堆叠和聚集的现象；该制备方法工艺流程简单，重复性好，能够实现工业化生产。

20、2、本发明通过设置ti3c2tx纳米片分散溶液与表面活性剂f127溶液的浓度以及控制搅拌时长，用于调控三维多孔ti3c2tx膜材料内部孔隙，实现孔隙结构的可控构建。

21、3、本发明制备的三维多孔ti3c2tx膜材料具有充足的反应位点，能够提高电解质渗透速率以及电子/离子输送效率，具有优异的电化学性能；同时三维多孔ti3c2tx膜材料还具有一定的韧性，能够用作自支撑电极材料。

22、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述ti3c2tx纳米片分散溶液的浓度为0.5mg/ml～5mg/ml。

3.根据权利要求1所述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述表面活性剂f127溶液的浓度为0.5mg/ml～10mg/ml。

4.根据权利要求1所述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述搅拌时长为0.25h～2h。

5.根据权利要求1所述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述热解的过程为：在氩气条件下，以1℃/min～10℃/min的速率升温至300℃～400℃，保温0.5～3h。

6.一种三维多孔ti3c2tx膜材料，其特征在于，由权利要求1～5中任一权利要求所述的方法制得。

7.根据权利要求6所述的一种三维多孔ti3c2tx膜材料，其特征在于，所述三维多孔ti3c2tx膜材料内部的孔隙结构三维互联。

8.一种如权利要求6或7所述的三维多孔ti3c2tx膜材料的用途，其特征在于，所述三维多孔ti3c2tx膜材料用作自支撑电极材料。

技术总结
本发明公开了一种三维多孔Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;膜材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤一、Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;纳米片分散溶液滴入表面活性剂F127溶液中搅拌，得到混合溶液；步骤二、将混合溶液真空抽滤后干燥成膜；步骤三、将膜热解得到Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;膜材料；本发明还公开了Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;膜材料及其用途。本发明的制备方法通过将Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;滴入表面活性剂F127溶液中搅拌，表面活性剂F127为软模板与Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;纳米片自组装，通过真空抽滤及干燥形成表面活性剂F127均匀分布的膜，通过热解使膜内表面活性剂F127分解，得到Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;膜材料，该Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;膜材料具有优异的电化学性能，适用于超级电容器领域。

技术研发人员：孙立,党蕊,刘建飞,赵盘巢
受保护的技术使用者：西北有色金属研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/10/17