一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法

摘要

一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法，它涉及一种制备Ti3C2Tx水凝胶的方法。本发明的目的是要解决现有方法无法制备纯三维Ti3C2Tx水凝胶的问题。方法：一、将少层Ti3C2Tx纳米片溶液倒入盐酸中，上下摇晃，再静置，得到水凝胶；二、透析、冷冻干燥，得到三维Ti3C2Tx水凝胶。本发明制备的三维Ti3C2Tx水凝胶在1V/s的扫速下拥有206F/g的高比电容。本发明可获得一种利用H+辅助制备Ti3C2Tx水凝胶的方法。

权利要求

1.一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法，其特征在于一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法是按以下步骤完成的：一、将少层Ti3C2Tx纳米片溶液倒入盐酸中，上下摇晃，再静置，得到水凝胶；

步骤一中所述的摇晃的时间为0.5min～1min；

步骤一中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液的浓度为1mg/mL～9mg/mL；

步骤一中所述的盐酸的浓度为0.5mol/L～5mol/L；

步骤一中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液与盐酸溶液的体积比为2mL:200μL；

步骤一中所述的静置的时间为1h～2h；

二、使用去离子水对水凝胶透析，再在液氮中冷冻，最后放入冷冻干燥机中冻干，得到三维Ti3C2Tx水凝胶。

2.根据权利要求1所述的一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的盐酸的浓度为3mol/L～5mol/L。

3.根据权利要求1所述的一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法，其特征在于步骤二中在液氮中冷冻的时间为1min～2min。

4.根据权利要求1所述的一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法，其特征在于步骤二中冷冻干燥机的温度为‑45℃～‑57℃。

5.根据权利要求1所述的一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液的制备方法是按以下步骤制备的：①、将LiF加入到HCl溶液中，室温下搅拌至完全溶解，然后在冰水浴条件下加入Ti3AlC2，再在氮气气氛和温度为30℃～35℃下反应18h～28h，得到反应液；

步骤①中所述的HCl溶液的浓度为8mol/L～10mol/L；

步骤①中所述的LiF的质量与HCl溶液的体积比为1.6g:20mL；

步骤①中所述的Ti3AlC2的质量与HCl溶液的体积比为1g:20mL；

②、首先以去离子水为清洗剂，将反应液在离心速度为3500r/min～4000r/min下离心清洗至pH>6，倒出上清液，得到沉淀物质；向沉淀物质中加入去离子水，然后进行超声，再在离心速度为4000r/min下离心5min，收集上清液，即得到少层Ti3C2Tx纳米片溶液；

步骤②中所述的超声的功率为100W～300W，超声的时间为50min～70min；

步骤②中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液的浓度为1mg/mL～9mg/mL。

说明书

一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种制备Ti3C2Tx水凝胶的方法。

背景技术

[0002] 近年来，Ti3C2Tx材料因为其优异的亲水性，导电性和机械强度而得到了广泛的关注。然而，二维Ti3C2Tx纳米片之间强的范德华力和氢键作用会使层与层之间发生无序重堆叠，进而导致Ti3C2Tx表面积和电化学活性位点降低，同时离子扩散阻抗增加，这严重削弱了Ti3C2Tx的电化学性能。将二维纳米片组装成三维结构是解决这一问题的有效手段之一。一般来说，牺牲模板是构筑三维结构的一种最直接的方法，比如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、碳泡沫(CF)和商用海绵都是一些常用的模板。然而，这些高电阻模板的不完全去除将会导致对三维结构的形貌和性能造成严重恶化。除了牺牲模板法，使用氧化石墨烯或者聚合物作为交联剂也是构建三维Ti3C2Tx的有效方法，然而这种添加物可能会引起高化学活性的Ti3C2Tx的氧化。因此，构建纯三维Ti3C2Tx水凝胶仍是一个难题。

发明内容

[0003] 本发明的目的是要解决现有方法无法制备纯三维Ti3C2Tx水凝胶的问题，而提供一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法。

[0004] 一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法，是按以下步骤完成的：

[0005] 一、将少层Ti3C2Tx纳米片溶液倒入盐酸中，上下摇晃，再静置，得到水凝胶；

[0006] 二、使用去离子水对水凝胶透析，再在液氮中冷冻，最后放入冷冻干燥机中冻干，得到三维Ti3C2Tx水凝胶。

[0007] 本发明的原理及优点：

[0008] 本发明中氢离子作为交联剂，辅助Ti3C2Tx纳米片快速形成三维水凝胶。通过非金属阳离子诱导构建三维网状结构的Ti3C2Tx水凝胶，其三维多孔的结构可有效储存电解液，使得Ti3C2Tx具有卓越的倍率性能，可以实现高倍率的超级电容器电极材料，H‑Ti3C2Tx水凝胶在1V/s的扫速下拥有206F/g的高比电容。

[0009] 本发明可获得一种利用H+辅助制备Ti3C2Tx水凝胶的方法。

附图说明

[0010] 图1为数码照片图，图中a为原始的少层Ti3C2Tx纳米片溶液，b为氢离子引入后形成的Ti3C2Tx水凝胶，c为冻干的三维Ti3C2Tx水凝胶；

[0011] 图2为水凝胶形成所需要的条件图；

[0012] 图3为SEM图，图中a为原始的少层Ti3C2Tx纳米片，b、c和d为冻干的三维Ti3C2Tx水凝胶在不同放大倍数下的SEM图；

[0013] 图4为原始的少层Ti3C2Tx纳米片粉末的CV曲线图；

[0014] 图5为实施例一制备的冻干的三维Ti3C2Tx水凝胶的CV曲线图。

具体实施方式

[0015] 以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

[0016] 以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

[0017] 具体实施方式一：本实施方式一种利用氢离子辅助制备碳化钛水凝胶的方法是按以下步骤完成的：

[0018] 一、将少层Ti3C2Tx纳米片溶液倒入盐酸中，上下摇晃，再静置，得到水凝胶；

[0019] 二、使用去离子水对水凝胶透析，再在液氮中冷冻，最后放入冷冻干燥机中冻干，得到三维Ti3C2Tx水凝胶。

[0020] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的摇晃时间为0.5min～1min。其它步骤与具体实施方式一相同。

[0021] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液的浓度为1mg/mL～9mg/mL。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

[0022] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中所述的盐酸的浓度为0.5mol/L～5mol/L。其它步骤与具体实施方式一至三相同。

[0023] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中所述的盐酸的浓度为3mol/L～5mol/L。其它步骤与具体实施方式一至四相同。

[0024] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液与盐酸溶液的体积比为2mL:200μL。其它步骤与具体实施方式一至五相同。

[0025] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤一中所述的静置的时间为1h～2h。其它步骤与具体实施方式一至六相同。

[0026] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中在液氮中冷冻的时间为1min～2min。其它步骤与具体实施方式一至七相同。

[0027] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二中冷冻干燥机的温度为‑45℃～‑57℃。其它步骤与具体实施方式一至八相同。

[0028] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液的制备方法是按以下步骤制备的：

[0029] ①、将LiF加入到HCl溶液中，室温下搅拌至完全溶解，然后在冰水浴条件下加入Ti3AlC2，再在氮气气氛和温度为30℃～35℃下反应18h～28h，得到反应液；

[0030] 步骤①中所述的HCl溶液的浓度为8mol/L～10mol/L；

[0031] 步骤①中所述的LiF的质量与HCl溶液的体积比为1.6g:20mL；

[0032] 步骤①中所述的Ti3AlC2的质量与HCl溶液的体积比为1g:20mL；

[0033] ②、首先以去离子水为清洗剂，将反应液在离心速度为3500r/min～4000r/min下离心清洗至pH>6，倒出上清液，得到沉淀物质；向沉淀物质中加入去离子水，然后进行超声，再在离心速度为4000r/min下离心5min，收集上清液，即得到少层Ti3C2Tx纳米片溶液；

[0034] 步骤②中所述的超声功率为100W～300W，超声时间为50min～70min；

[0035] 步骤②中所述的墨绿色的少层Ti3C2Tx胶体上清液的浓度为1mg/mL～9mg/mL。其它步骤与具体实施方式一至九相同。

[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

[0037] 实施例一：一种利用H+辅助制备Ti3C2Tx水凝胶的方法，是按以下步骤完成的：

[0038] 一、将2mL浓度为5mg/mL Ti3C2Tx纳米片溶液倒入200μL浓度为3mol/L的盐酸中，上下摇晃1min，再静置2h，得到水凝胶；

[0039] 二、使用去离子水对水凝胶透析，再在液氮中冷冻1min，最后放入温度为‑50℃的冷冻干燥机中冻干24h，得到三维Ti3C2Tx水凝胶；

[0040] 步骤一中所述的少层Ti3C2Tx纳米片溶液的制备方法，是按以下步骤制备的：

[0041] ①、将LiF加入到HCl溶液中，室温下搅拌至完全溶解，然后在冰水浴条件下加入Ti3AlC2，再在氮气气氛和温度为30℃～35℃下反应18h～28h，得到反应液；

[0042] 步骤①中所述的HCl溶液的浓度为9mol/L；

[0043] 步骤①中所述的LiF的质量与HCl溶液的体积比为1.6g:20mL；

[0044] 步骤①中所述的Ti3AlC2的质量与HCl溶液的体积比为1g:20mL；

[0045] ②、首先以去离子水为清洗剂，将反应液在离心速度为4000r/min下离心清洗至pH>6，倒出上清液，得到沉淀物质；向沉淀物质中加入去离子水，然后进行超声，再在离心速度为4000r/min下离心5min，收集上清液，即得到少层Ti3C2Tx纳米片溶液；

[0046] 步骤②中所述的超声功率为300W，超声时间为60min；

[0047] 步骤②中所述的墨绿色的少层Ti3C2Tx胶体上清液的浓度为9mg/mL。

[0048] 图1为数码照片图，图中a为原始的少层Ti3C2Tx纳米片溶液，b为氢离子引入后形成的MXene水凝胶，c为冻干的三维Ti3C2Tx水凝胶；

[0049] 从图1可以看出引入氢离子后，Ti3C2Tx纳米片溶液失去流动性，将玻璃瓶倒置溶液也不会滴下，证明了三维Ti3C2Tx的形成；将水凝胶透析后冻干形成的气凝胶很完整。

[0050] 图2为水凝胶形成所需要的条件图；

[0051] 图2可以看出，只有Ti3C2Tx纳米片溶液浓度大于5M，且氢离子浓度大于3M时，水凝胶才会形成。

[0052] 图3为SEM图，图中a为原始的少层Ti3C2Tx纳米片，b、c和d为冻干的三维Ti3C2Tx水凝胶在不同放大倍数下的SEM图；

[0053] 图3可以看出，原始的少层Ti3C2Tx纳米片为超薄的二维纳米片，当引入氢离子之后，三维Ti3C2Tx水凝胶呈现了泡沫状的松散多孔结构，有利于电解液离子的存储，缩短了离子传输距离。

[0054] 图4为原始的少层Ti3C2Tx纳米片粉末的CV曲线图；

[0055] 图5为实施例一制备的冻干的三维Ti3C2Tx水凝胶的CV曲线图。

[0056] 从图4和图5计算得出，在5mV/s时，原始的少层Ti3C2Tx纳米片粉末的电容值分别为233F/g，三维Ti3C2Tx水凝胶的电容值分别为297F/g。另外当扫速提高到1V/s时，原始的少层Ti3C2Tx纳米片粉末和三维Ti3C2Tx水凝胶的电容值分别为129F/g和206F/g。证明了氢离子诱导形成MXene水凝胶的优越性。