CN104876263A - 一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池材料学领域，具体涉及一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备及其应用。本发明以十六烷基苯磺酸钠、钛酸异丙酯为原料，在70℃-85℃下反应12-24h首次合成出高纯度(95%以上)的多孔四方状的金红石TiO2介观晶体。这种金红石TiO2介观晶体的粒径为100-130nm，具有多孔的形貌。将其应用于钠离子电池负极材料，发现其具有良好的储钠性能，在钠离子电池中应用中有非常好的应用前景。

Description

一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备及其应用
技术领域
 本发明属于电池材料学领域，具体涉及一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备及其应用。
背景技术
金红石是较纯的二氧化钛，一般含二氧化钛在95%以上，它具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、高强度、小比重等优异性能，被广泛用于锂电池的阳极材料。近年来，锂离子电池具有高电压、高容量和循环寿命长等显著优点而被广泛应用于移动电子设备、国防工业、电动汽车等领域。但是随着锂离子电池的不断普及，锂（碳酸锂）的价格不断上升，且锂的资源在地球中的储量也较少。因此，开发一种性能优异的其他离子电池成为目前研究的重点和热点。
钠元素在地球上的储量比锂要丰富得多，金属钠来源广泛且廉价，因而钠离子电池近年来得到广泛的关注。当前，钠离子电池因缺乏合适的负极材料而制约了其应用，开发性能优异的钠离子电池负极材料是当前该领域的研究重点和热点。目前还没有金红石TiO2在钠离子电池中应用的相关专利报道。
发明内容
本发明的目的在于针对钠离子电池缺乏合适的负极材料，提供一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备方法，将制得的金红石TiO2介观晶体用于钠离子电池中，性能优异，具有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备方法：将0.9-1.2 g的十六烷基苯磺酸钠分散于35-60 ml 2.0-2.5 mol/l盐酸溶液中，然后滴加0.8-1.2 ml的钛酸异丙酯，在70 ℃-85 ℃下反应12-24 h，再经离心洗涤干燥后得到白色产物；最后经390℃-420℃退火1-2h得到最终产品。
如上所述的制备方法制得的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体为多孔四方状，粒径为100-130 nm，比表面积为155-159 m2·g-1，平均孔径为3 nm。
一种如上所述的制备方法制得的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的应用：用于钠离子电池。
所述的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体用于钠离子电池中，是按金红石TiO2介观晶体:聚偏氟乙烯:乙炔黑的质量比=70-75:5-10:15-20混合研磨后，均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明在较低的温度下（70 ℃-85 ℃），首次合成出高纯度（95%以上）多孔四方状的金红石TiO2介观晶体，比表面积达155-159 m2g-1，平均孔径为3nm；
（2）本发明制得的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体作为钠离子电池负极材料时，具有较高的比容量、优异的倍率充放电性能和良好的循环稳定性；电流密度为0.1 Ag-1的情况下，其首次放电和充电比容量达434 mAhg-1和232 mAhg-1；且具有优异的循环性能，从第二次循环开始，其容量保持率可在97%以上在钠离子电池中具有良好的应用前景。
附图说明
图1多孔金红石TiO2介观晶体的XRD图；
图2多孔金红石TiO2介观晶体的扫描电镜(a)和透射电镜分析(b)图，电子衍射图；
图3多孔金红石TiO2介观晶体(a)和纳米粒子的充电曲线(b)图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备方法：将0.9g的十六烷基苯磺酸钠分散于35 ml 2.5 mol/l盐酸溶液中，然后滴加0.8 ml的钛酸异丙酯，在70 ℃下反应24 h，再经离心洗涤干燥后得到白色产物；最后经390℃退火1h得到最终产品；纯度为96%。
实施例2
一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备方法：将1.2 g的十六烷基苯磺酸钠分散于60 ml 2.0 mol/l盐酸溶液中，然后滴加1.0 ml的钛酸异丙酯，在80℃下反应18 h，再经离心洗涤干燥后得到白色产物；最后经420℃退火2h得到最终产品；纯度为95%。
实施例3
一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备方法：将1.0 g的十六烷基苯磺酸钠分散于45 ml 2.3 mol/l盐酸溶液中，然后滴加1.2 ml的钛酸异丙酯，在85 ℃下反应12 h，再经离心洗涤干燥后得到白色产物；最后经400 ℃退火1.5 h得到最终产品；纯度为97%。
将实施例制得的多孔金红石TiO2介观晶体进行分析，扫描电镜和透射观察结果显示，这种金红石TiO2介观晶体的粒径为100-130 nm，它是由非常微小的纳米晶（3-5 nm）构筑形成的，且具有多孔的形貌；电子衍射图（见图2b插图）表明整个粒子具有单晶状的衍射结构，说明这些小纳米晶单元排列高度有序，证实其为介观晶体结构的金红石TiO2；
N2物理吸脱附测试表明其比表面积达155-159 m2g-1，平均孔径为3nm。
应用实施例1
钠离子电池组装：金红石TiO2介观晶体:聚偏氟乙烯:乙炔黑＝70-75:5-10:15-20混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
用此大比表面多孔金红石TiO2介观晶体作为钠离子电池负极材料，结果表明其具有较高的比容量、优异的倍率充放电性能和良好的循环稳定性。电流密度为0.1 Ag-1的情况下，其首次放电和充电比容量达434 mAhg-1和232 mAhg-1；且具有优异的循环性能，从第二次循环开始，其容量保持率可在97%以上。相比而言，普通商业化的金红石TiO2纳米粒子的容量则低得多，其首次放电和充电比容量仅为167 mAhg-1和50 mAhg-1；且其循环性能很差，5次循环后，其容量仅为30 mAhg-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的制备方法，其特征在于：将0.9-1.2 g的十六烷基苯磺酸钠分散于35-60 ml 2.0-2.5 mol/l盐酸溶液中，然后滴加0.8-1.2 ml的钛酸异丙酯，在70 ℃-85 ℃下反应12-24 h，再经离心洗涤干燥后得到白色产物；最后经390℃-420℃退火1-2h得到最终产品。
2.一种如权利要求1所述的制备方法制得的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体，其特征在于：所述的金红石TiO2介观晶体为多孔四方状，粒径为100-130 nm，比表面积为155-159 m2·g-1，平均孔径为3 nm。
3.一种如权利要求2所述的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的应用，其特征在于：用于钠离子电池。
4.根据权利要求3所述的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体的应用，其特征在于：所述的大比表面多孔金红石TiO2介观晶体用于钠离子电池中，是按金红石TiO2介观晶体:聚偏氟乙烯:乙炔黑的质量比=70-75:5-10:15-20混合研磨后，均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。
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