二维碳化物晶体MXene的制备及其电化学性能研究

发布时间：2018-04-09 22:24

  本文选题：二维晶体　切入点：MXene　出处：《河南理工大学》2014年硕士论文

【摘要】：超级电容器和锂电池具有功率密度大、能量密度高、寿命长、安全性好等优点,是目前最为常用的二次储能装置。它们的电化学性能都与电极材料相关。二维晶体材料相对于其母体材料具有很多特异的性能,特别是较高的比表面积,被视为潜在的电极材料。本文利用HF刻蚀Ti3Al C2成功制备出一种新型的二维碳化物晶体MXene,研究了其制备的影响因素及热稳定性,并将其用于超级电容器电极和锂离子电池负极。温度、时间是影响MXene制备的重要因素。尿素、氨水、二甲基甲酰胺等小分子插层可以进一步剥离MXene。热重和示差扫描量热分析结果显示MXene可以在小于800°C氩气气氛中稳定存在。在氧气气氛下,200°C时MXene部分氧化,形成一种新型的结构:锐钛矿分布于MXene片层上;1000°C时MXene全部氧化为二氧化钛。由于Ti3SiC2具有良好的耐腐蚀性,所以不能通过HF刻蚀制备MXene。由于MXene具有亲水性以及相对较低的比表面积使其在KOH电解液中的电化学性能比在有机电解液中的电化学性能好。在电流密度为2.5 A/g时最高体积比电容为119.8 F/cm3。在MXene中添加炭黑可以提高电容器的电化学性能,这是因为炭黑可以阻止MXene的择优取向,为离子快速扩撒提供通道,增加电极片的导电能力。电化学测试表明MXene用于锂离子电池负极材料具有较高的嵌锂和脱锂潜能,同时MXene中的电荷储存是由锂离子的嵌入形成,并不是转换反应。MXene在1C下的循环稳定电容量为131 mAh/g,表明MXene可以作为锂离子电池负极材料。此外,利用无压烧结,以TiC/Sn/TiH2和2TiH2/Sn/C混合粉体在1200°C保温1 h获得了高纯Ti2SnC。以TiC/1.1Al/TiH2和2TiH2/1.1Al/C为原料在1400°C保温1h成功制备高纯Ti2AlC。证明了Ti3AlC2可以和AlTi反应生成Ti2AlC。
[Abstract]:Supercapacitors and lithium batteries have the advantages of high power density, high energy density, long life, good safety and so on, so they are the most commonly used secondary energy storage devices.Their electrochemical properties are related to electrode materials.Two-dimensional crystal materials have many special properties compared with their parent materials, especially the high specific surface area, and are considered as potential electrode materials.In this paper, a novel two-dimensional carbide crystal, MXENE, was prepared by HF etching of Ti3Al C2. The influencing factors and thermal stability of MXENE were investigated and used as electrode for supercapacitor and negative electrode for lithium-ion battery.Temperature and time are important factors affecting the preparation of MXene.The intercalation of urea, ammonia, dimethylformamide and other small molecules can further peel off MXene.The results of thermogravimetric and differential scanning calorimetry show that MXene can exist stably in ar atmosphere of less than 800 掳C.MXene was partially oxidized in oxygen atmosphere at 200 掳C to form a new structure: anatase distributed on MXene lamellar at 1000 掳C MXene was oxidized to titanium dioxide.Due to its good corrosion resistance, Ti3SiC2 cannot be prepared by HF etching.Because of its hydrophilicity and relatively low specific surface area, MXene has better electrochemical performance in KOH electrolyte than in organic electrolyte.The maximum volume specific capacitance is 119.8 F / cm ~ 3 when the current density is 2.5 A / g.The addition of carbon black to MXene can improve the electrochemical performance of the capacitor, because carbon black can prevent the preferential orientation of MXene, provide a channel for ion diffusion and increase the conductivity of electrode sheet.Electrochemical measurements show that MXene has high lithium intercalation and delithium potential for lithium ion batteries, and charge storage in MXene is formed by intercalation of lithium ions.It is not the conversion reaction. MXene has a cyclic stable capacitance of 131mAh / g at 1C, indicating that MXene can be used as anode material for lithium ion batteries.In addition, high purity Ti _ 2SnC was obtained by pressureless sintering with mixed powder of TiC/Sn/TiH2 and 2TiH2/Sn/C at 1200 掳C for 1 h.High purity Ti _ 2AlC was prepared from TiC/1.1Al/TiH2 and 2TiH2/1.1Al/C at 1400 掳C for 1 h.It is proved that Ti3AlC2 can react with AlTi to form Ti _ 2AlC.
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM53;TM912;O611.4

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