本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用，特別是一種二維復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋰硫電池由于其理論上的高比容量和能量密度，是目前最有前途的下一代電池之一，然而，硫的導(dǎo)電性差、多硫化物在電極之間來回“穿梭”和硫與其還原產(chǎn)物密度差異等問題仍然制約其應(yīng)用化發(fā)展。電池性能的好壞和壽命的長短跟隔膜息息相關(guān)，常用的聚丙烯隔膜(pp)因其結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)疏水性，形貌上表現(xiàn)孔隙率低導(dǎo)致鋰硫電池電化學(xué)性能低下，所以人們通常通過對電池隔膜的改性和加工來解決上述問題，通過將一些無機納米顆粒如二氧化硅、二氧化鈦等具有良好的親水性和比表面積高，將其涂覆在pp隔膜的表面，可以達到很好的隔膜親水性及性能也能得到提升，但單一的材料涂覆上去效果并不顯著，也會影響電池的使用壽命。

2、綜上所述，為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明從而提供一種二維復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提供一種二維復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。本發(fā)明具有制備方法簡單，環(huán)境友好，制備的mgal?ldh/mxene二維復(fù)合材料，具有比表面積高，mgal?ldh上豐富的羥基使其具有對多硫化物具有強烈的親和力，并由于能降低鋰離子擴散勢壘而使鋰離子快速傳輸，同時配合mxene優(yōu)異的導(dǎo)電性，為被吸附的多硫化物提供了即時的電子傳導(dǎo)途徑，將其應(yīng)用于鋰硫電池隔膜阻擋層，增強了電解液對隔膜的浸潤性和多硫化物的轉(zhuǎn)換，緩解了鋰硫電池循環(huán)過程中體積膨脹問題，從而加快氧化還原反應(yīng)動力學(xué)的特點。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：一種二維復(fù)合材料的制備方法，將mxene加入甲酰胺，超聲分散，得mxene甲酰胺分散液，然后將mgal?ldh加入mxene甲酰胺分散液中，磁力攪拌，無水乙醇洗滌，真空干燥，得二維復(fù)合材料，記為mgal?ldh/mxene。

3、前述的二維復(fù)合材料的制備方法中，所述將0.1～0.2g?mxene加入100～200ml甲酰胺，超聲分散30～90min，得mxene甲酰胺分散液，然后將0.1～0.2g?mgal?ldh加入100～200ml?mxene甲酰胺分散液中，磁力攪拌8～15h，用無水乙醇洗滌7～15次，40～80℃下真空干燥12～36h，得二維復(fù)合材料，記為mgal?ldh/mxene。

4、前述的二維復(fù)合材料的制備方法中，所述將0.16g?mxene加入160ml甲酰胺，超聲分散60min，得mxene甲酰胺分散液，然后將0.16g?mgal?ldh加入160ml?mxene甲酰胺分散液中，磁力攪拌12h，用無水乙醇洗滌12次，60℃真空干燥24h，得二維復(fù)合材料，記為mgalldh/mxene。

5、前述的二維復(fù)合材料的制備方法中，所述mgal?ldh通過以下方法進行制備：

6、將0.5～0.8g鎂鋁水滑石、20～45g氯化鈉和60～100μl的10～15mol/l鹽酸溶液加入400～500ml去離子水中，磁力攪拌20～28h，去離子水洗滌7～12次，在-50～-30℃下冷凍干燥12～48h，得mgal-cl-ldh粉末；

7、將0.4～0.6g?mg?al-cl-ldh與6.5～10.5g硝酸鈉加入400～500ml去離子水中，攪拌12～36h，去離子水洗滌7～12次，在-50～-30℃下冷凍干燥12～36h，得mgal-no3-ldh粉末；

8、將0.1～0.3g的mgal-no3-ldh加入150～250ml甲酰胺，超聲剝離12～36h，得mgalldh。

9、前述的二維復(fù)合材料的制備方法中，所述mgal?ldh通過以下方法進行制備：

10、將0.6g鎂鋁水滑石、32.9g氯化鈉和85μl的12mol/l鹽酸溶液加入450ml去離子水中，磁力攪拌24h，去離子水洗滌9次，在-45℃下冷凍干燥24h，得mgal-cl-ldh粉末；

11、將0.5g?mgal-cl-ldh與8.5g硝酸鈉加入450ml去離子水中，攪拌24h，去離子水洗滌9次，在-45℃下冷凍干燥24h，得mgal-no3-ldh粉末；

12、將0.2g的mgal-no3-ldh加入200ml甲酰胺，超聲剝離24h，得mgal?ldh。

13、前述的二維復(fù)合材料的制備方法中，所述mxene通過以下方法進行制備：在2～5℃下，將2～4g氟化鋰與20～40ml的10～15mol/l鹽酸溶液溶液置于聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，磁力攪拌15～45min反應(yīng)，然后將2～4g鈦碳化鋁粉在25～35min內(nèi)加入反應(yīng)釜中,刻蝕0.5～1.5h后，將溫度升至30～45℃，反應(yīng)12-48h得到混合溶液；混合溶液先用100～200ml的0.5～1.5mol/l鹽酸酸洗，在2500～4500r/min的轉(zhuǎn)速下進行離心0.5～2min，隨后用去離子水在相同條件下進行洗滌離心，直到溶液ph值變?yōu)?～7，取上層溶液先通入氮氣0.5～2h，在氮氣的保護下，進行冰浴超聲30～80min，然后在2500-4500r/min的轉(zhuǎn)速下離心0.5～2h，收集上層液體，在-50～-30℃下冷凍干燥24～72h，最后得mxene。

14、前述的二維復(fù)合材料的制備方法中，所述mxene通過以下方法進行制備：在3℃下，將3g氟化鋰30ml的12mol/l鹽酸溶液置于聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，磁力攪拌30min反應(yīng)，然后將3g鈦碳化鋁粉在30min內(nèi)加入反應(yīng)釜中,刻蝕1h后，將溫度升至36℃，反應(yīng)24h得到混合溶液；將混合溶液先用150ml的1mol/l鹽酸酸洗，在3500r/min的轉(zhuǎn)速下進行離心1min，隨后用去離子水在相同條件下進行洗滌離心，直到溶液ph值變?yōu)?，取上層溶液先通入氮氣1h，在氮氣的保護下，進行冰浴超聲50min，然后在3500r/min的轉(zhuǎn)速下離心1h，收集上層液體，在-40℃下冷凍干燥48h，最后得mxene。

15、前述的二維復(fù)合材料的應(yīng)用，所述二維復(fù)合材料用于鋰硫電池隔膜阻擋層，以抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

17、1、本發(fā)明通過將mxene加入甲酰胺，超聲分散，得mxene甲酰胺分散液，將mxene加入甲酰胺而非水中，是為了避免mxene與mgal?ldh復(fù)合時，mgal?ldh先與水分子進行重構(gòu)，將mgal?ldh加入mxene甲酰胺分散液中，通過磁力攪拌力的作用將兩者混合均勻，從而實現(xiàn)靜電組裝；使用無水乙醇洗滌以去除溶劑，然后在真空狀態(tài)下干燥去除水分和隔絕氧氣，防止材料被氧化，最終得到二維復(fù)合材料，記為mgal?ldh/mxene，具有制備方法簡單，周期短的特點。

18、2、本發(fā)明通過將0.5～0.8g鎂鋁水滑石、20～45g氯化鈉和60～100μl的10-15mol/l鹽酸溶液加入400～500ml去離子水中，磁力攪拌20～28h，通過磁力攪拌力的作用將鎂鋁水滑石層間的co32-置換成cl-，之后用去離子水洗滌7～12次以去除溶劑，在-50～-30℃下冷凍干燥12～48h去除多余水分，得mgal-cl-ldh粉末；

19、將0.4～0.6g?mg?al-cl-ldh與6.5～10.5g硝酸鈉加入400～500ml去離子水中，攪拌作用12～36h，通過攪拌力的作用將mgal-cl-ldh層間的cl-置換成no3-,去離子水洗滌7～12次，在-50～-30℃下冷凍干燥12～36h去除多余水分，得mgal-no3-ldh粉末；

20、對于鎂鋁水滑石而言，層間帶有co32-的陰離子由于與層板之間的靜電相互作用，對于甲酰胺來說剝離困難，而層間的無機陰離子存在著交換順序，其交換能力大小順序為：co32->cl->no3-。利用這個性質(zhì)可將鎂鋁水滑石層間帶co32-的陰離子置換成no3-，利于mg?al-no3-ldh被甲酰胺分子撐大層間距以便于剝離。

21、將0.1～0.3g的mg?al-no3-ldh加入150～250ml甲酰胺，mg?al-no3-ldh被甲酰胺分子撐大層間距后形成溶脹相，超聲剝離12～36h，通過超聲產(chǎn)生的橫向剪切力，片層得到緩慢剝離，得二維mgal?ldh，且使用價格低廉的鎂鋁水滑石為原材料，制備周期短，方法簡單。

22、3、本發(fā)明采用鈦碳化鋁粉通過氫氟酸和鋰鹽刻蝕得到mxene，該方法操作簡單，制備周期短；具體的，在2～5℃下，將2～4g氟化鋰與20～40ml的10～15mol/l鹽酸溶液溶液置于聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，磁力攪拌15～45min反應(yīng)，通過磁力攪拌力的作用將氟化鋰和鹽酸反應(yīng)生成氫氟酸和鋰鹽來刻蝕鈦碳化鋁(max)中的al原子。然后將2～4g鈦碳化鋁粉在25～35min內(nèi)加入反應(yīng)釜中，鈦碳化鋁與氫氟酸反應(yīng)會放出大量熱，因此在低溫下反應(yīng)刻蝕mxene來保證刻蝕的溫和條件和實驗安全?？涛g0.5～1.5h后，將溫度升至30～45℃，反應(yīng)12～48h得到混合溶液，升高溫度有利于mxene層間距發(fā)生變化，金屬al原子更容易去除；混合溶液先用100～200ml的0.5～1.5mol/l鹽酸酸洗，在2500～4500r/min的轉(zhuǎn)速下進行離心0.5～2min，隨后用去離子水在相同條件下進行洗滌離心，直到溶液ph值變?yōu)?～7，用鹽酸酸洗離心的目的是清洗未完全反應(yīng)的氟化鋰和鋰鹽，而用去離子水清洗的目的是有利于將懸浮液中的mxene分離出來，在2500～4500r/min的轉(zhuǎn)速下離心是為了得到單層或少層的mxene，當(dāng)ph值達到5～7范圍值時，mxene分離完全。隨后用去離子水在相同條件下進行洗滌離心，直到溶液ph值變?yōu)?～7，取上層溶液先通入氮氣0.5～2h，在氮氣的保護下，進行冰浴超聲30～80min，將mxene從堆疊態(tài)剝離成少層或單層結(jié)構(gòu)，然后在2500～4500r/min的轉(zhuǎn)速下離心0.5～2h，收集上層液體，得到純凈的液態(tài)mxene，底部產(chǎn)物則為未刻蝕完全的mxene和鋰鹽，在-40℃下冷凍干燥48h以去除水分，最后得mxene。

23、4、本發(fā)明制備的二維復(fù)合材料用于鋰硫電池隔膜阻擋層，以抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)。所述二維復(fù)合材料具有比表面積高，能容納多硫化物，減少多硫化物的穿梭的特點；并能降低鋰離子擴散勢壘的效果而使鋰離子快速傳輸；能為被吸附的多硫化物提供了即時的電子傳導(dǎo)途徑，二者結(jié)合起來形成優(yōu)勢互補，確保了快速的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)動力學(xué)。

24、5、本發(fā)明具有制備方法簡單，環(huán)境友好。原材料物產(chǎn)豐富，制備周期短，產(chǎn)量高。制備的mgalldh/mxene復(fù)合材料，呈現(xiàn)二維片層狀，厚度只有6～7nm,因此具有比表面積高，在吸附和催化方面有大的應(yīng)用前景，特別是應(yīng)用在鋰硫電池當(dāng)中。mgal?ldh帶正電的層板和層板上豐富的羥基使其具有對多硫化物(s82-，s62-,s42-等)具有強烈的親和力，并能降低鋰離子擴散勢壘而使鋰離子快速傳輸。同時，mxene表面富含豐富的含氧官能團(-f,-oh,-o)，使其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，為被吸附的多硫化物提供了即時的電子傳導(dǎo)途徑。將此材料應(yīng)用于鋰硫電池隔膜阻擋層中，增強了電解液對隔膜的浸潤性和多硫化物的轉(zhuǎn)換，緩解了鋰硫電池循環(huán)過程中體積膨脹問題，從而加快氧化還原反應(yīng)動力學(xué)的。

25、綜上所述，本發(fā)明具有制備方法簡單，環(huán)境友好，制備的mgal?ldh/mxene二維復(fù)合材料，具有比表面積高，mgal?ldh上豐富的羥基使其具有對多硫化物具有強烈的親和力，并由于能降低鋰離子擴散勢壘而使鋰離子快速傳輸，同時配合mxene優(yōu)異的導(dǎo)電性，為被吸附的多硫化物提供了即時的電子傳導(dǎo)途徑，將其應(yīng)用于鋰硫電池隔膜阻擋層，增強了電解液對隔膜的浸潤性和多硫化物的轉(zhuǎn)換，緩解了鋰硫電池循環(huán)過程中體積膨脹問題，從而加快氧化還原反應(yīng)動力學(xué)的有益效果。