一种Ti3C2TXMXene@rGO同轴纤维及其制备方法与应用

本发明属于柔性储能材料领域，具体涉及一种ti3c2txmxene@rgo同轴纤维负极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着电子产品的发展，特别是智能眼镜、柔性显示屏、可弯曲手机以及智能服装等柔性可穿戴电子产品的不断涌现，可穿戴设备作为智能终端产业的焦点之一已经得到广泛的认同。与此同时，这些创新产品迫切需要高性能柔性储能装置，以满足其独特的电源需求。柔性固态超级电容器作为一种新型柔性储能器件备受关注，由于其具有较高的功率、能量密度以及可靠的循环稳定性和安全性等突出特点，在柔性电子产品的储能系统中具有广泛的应用前景。

2、柔性固态超级电容器的一个关键因素是其电极材料的性能，作为柔性储能器件的前沿代表，正极和负极材料的选择至关重要，因为它们直接影响电容器的性能。对于先进的二维过渡金属氧化物材料如ti3c2txmxene来说，其本身具有独特的优势，如优异的导电性、高电化学性能和循环稳定性，易于功能化等特点使它成为了一种卓越的负极材料，具备与高性能正极材料相匹配的潜力，因此在柔性储能电极领域具有巨大的前景。但是其存在的问题也是显而易见的：一是成型困难，难以实现单独纺丝制备成纤维；其次，即使通过一些工艺控制能够纺丝成纤维，但是由于mxene材料片层小，刚性材料较脆的特性，导致mxene纤维的力学性能是极差的，无法满足实际运用的需求；因此就需要开发一种具备柔性的导电纤维来满足可穿戴电子设备的运用需求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种ti3c2txmxene/rgo同轴纤维及其制备方法，以克服现有技术中导电mxene纤维存在的成型困难、力学性能差、能量密度低、循环稳定性差等缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种ti3c2txmxene@rgo同轴纤维，它的核层为还原氧化石墨烯（rgo）材质，壳层为ti3c2txmxene材质，即碳化钛(ti3c2tx) mxene多层纳米片。

4、具体地，所述同轴纤维的核层直径为20~50µm，壳层直径为100~200 µm，纤维核层和壳层紧密连接。

5、进一步地，本发明还提供上述ti3c2txmxene@rgo同轴纤维的制备方法，以氧化石墨烯（go）分散液作为纤维的核层纺丝液，以ti3c2txmxene分散液作为纤维的壳层纺丝液，将核层纺丝液和壳层纺丝液通过同轴湿法纺丝工艺制备核壳结构，并在凝固浴中进行固化，得到同轴ti3c2txmxene @go纤维，然后经还原即得。

6、更进一步的，所述的ti3c2txmxene@rgo同轴纤维的制备方法具体包括如下步骤：

7、（1）制备核层纺丝液：通过hummers法制备氧化石墨，再通过机械剥离使其分层、离心分离得到氧化石墨烯浆料，最后经过浓缩得到氧化石墨烯纺丝液；

8、（2）制备壳层纺丝液：将ti3alc2max通过化学刻蚀，得到多层的ti3c2txmxene，然后经酸洗、水洗、离心分层得到ti3c2txmxene浆料，再经浓缩得到壳层纺丝液；

9、（3）制备同轴纤维：将核层纺丝液和壳层纺丝液通过同轴湿法纺丝工艺，利用同轴纺丝针头注入凝固浴中，经固化制得ti3c2txmxene@go同轴纤维；

10、（4）化学还原：将步骤（3）得到的ti3c2txmxene@go同轴纤维进行化学还原，即得。

11、具体地，步骤（1）中，采用鳞片石墨制备氧化石墨，得到的氧化石墨烯浆料经浓缩后浓度为10mg/ml～30mg/ml，优选为16 mg/ml。

12、具体地，步骤（2）中，采用氢氟酸对ti3alc2max进行刻蚀24～36小时，离心的转速为2000~4000 rpm，时间为0.5~1小时，得到的ti3c2txmxene浆料经浓缩后浓度为20mg/ml～50mg/ml，优选为25 mg/ml。

13、具体地，步骤（3）中，所述同轴湿法纺丝工艺的条件为，控制同轴纺丝针头中核层纺丝液的推进速度为0.2~0.3 ml/min，控制同轴纺丝针头中壳层纺丝液的推进速度为0.5~0.7 ml/min，ti3c2txmxene与氧化石墨烯的质量比为为4:1。

14、优选地，所述的凝固浴采用nh4cl-nh3·h2o水溶液，浓度为0.5～2 mol/l。

15、用注射器分别取适量的核层纺丝液氧化石墨烯浆料和壳层纺丝液ti3c2txmxene浆料，连接同轴纺丝针头（17g+22g，1.11mm+0.42mm），然后通过控制不同的推进速度进行湿法纺丝，最后将纺出的纤维收集后干燥处理。

16、具体地，步骤（4）中，采用的化学还原的还原剂为hi、vc或水合肼的水溶液中的任意一种，质量浓度为40~60% ，优选还原剂为 55% 氢碘酸的水溶液；恒温温度为50~80℃，优选60℃；还原的时间为6~8小时。

17、更进一步地，本发明还要求保护上述ti3c2txmxene@rgo同轴纤维在用于制备非对称超级电容器中的应用。

18、具体地，将上述ti3c2txmxene@rgo同轴纤维作固态超级电容器的负极，还原氧化石墨烯纤维作为正极，二者为平行结构，两纤维间涂上3 mol/l pva/h2so4电解液，构筑得到柔性非对称固态超级电容器。

19、有益效果

20、（1）本发明对现有的同轴纤维体系进行了改进，实现了当核层材料为氧化石墨烯时，核层的氧化石墨烯能够通过化学还原的方式从而赋予并改善导电纤维整体力学及柔韧性能；该方法操作简单，参数易于控制，并且能够稳定不间断地连续纺出导电性能和力学性能优异的纤维，具有重要的实际意义。

21、（2）本发明通过同轴纺丝将核层石墨烯和壳层ti3c2txmxene的优异特性紧密结合起来，在不影响壳层优异电化学性能的条件下，核层的还原氧化石墨烯骨架提高了同轴纤维的力学性能及柔韧性，减小了壳层的应力，从而制备出柔性的导电同轴纤维，有望在多功能可穿戴设备和嵌入式的电子器件以及智能织物中得到应用。

22、（3）本发明凝固浴对同轴纤维的交联固化也是一个影响因素。不同凝固浴的选择和优化决定着同轴mxene纤维的结构和性能。核层材料、壳层材料以及它们之间的相互作用都在这个环节中直接影响纤维的力学性能、电化学性能和稳定性。nh4cl-nh3·h2o凝固浴在同轴纤维的构建和性能方面表现出色，它不仅有助于快速构建出同轴结构，还能实现最佳的力学和电化学性能。

23、（4）本发明核层采用的ti3c2txmxene能够提供超高的电化学性能以及表面丰富的离子可及位点，进而使得制备的导电同轴纤维兼具优异的电化学和机械性能。

24、（5）本发明关于ti3c2txmxene包覆还原氧化石墨烯同轴纤维负极以及超级电容器的制备方法，可以通过调节核壳层纺丝液的浓度、同轴纺丝针头的参数、纺丝速率比、凝固浴的种类、从而实现对同轴纤维力学性能和导电性能的调控。

25、（6）本发明同轴ti3c2tx@rgo纤维的电导率为15645.1 s/m，在液态三电极、3mh2so4的条件下测试出该柔性纤维的最佳电压窗口为-0.9~-0.1v，在1a/g 的电流密度下，该电极的质量比电容高达452 f/g。对纤维的力学测试中，该纤维的抗拉伸强度达到95mpa，证明该纤维是一种性能及强度兼具的负极材料，作为柔性负极在智能可穿戴设备领域具有着优秀的应用潜力。