CN107170978A - 一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料及其应用，制备方法包括：（1）将0.1‑2克硫酸钛分散于1‑10摩尔/升的硫酸溶液中，然后逐滴加入含有1‑10毫升油酸丁酯和1‑10毫升油胺的反应釜中，搅拌30分钟后在100‑200度的烘箱中，反应5‑20小时；（2）反应结束后，自然冷却得到白色沉淀物，白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70度干燥12小时，进一步在氩气氛下煅烧2‑10小时，得到碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料。该碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料作为钠离子电池负极材料具有很高的比容量和循环稳定性。

Description

一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料及其应用
技术领域
本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料及其应用。
背景技术
二氧化钛化学结构稳定、无毒且价格低廉，被广泛应用于太阳能转化、催化等领域。同时，由于它具有独特的开放式的晶体结构，可以为钠离子的嵌入/脱出提供通道，是一类具有重要潜在应用价值的电极材料。但是，二氧化钛属于半导体，电子电导率较低，因此其高的理论比容量难以得到充分发挥，从而限制了其大规模的应用。为解决此问题，常用的方法包括复合导电性较高的石墨烯材料和介孔碳材料。然而，上述的制备方法及工艺较为复杂并且成本高。同时，介晶材料作为一类新的纳米结构材料被广泛研究。它是由超细纳米晶以结晶学有序的方式自组装而成的纳米粒子超结构，具有独特的物理和化学性质，通常显示出类单晶的电子衍射行为。这类材料由于其独特的组装方式，往往具有较大的比表面积、丰富的孔结构等特点，将其应用在电极材料中，可以为电解液的扩散和离子的传输提供便利，因而制备介晶结构的电极材料具有重要的研究意义。目前还未有利用表面活性剂碳化包覆二氧化钛介晶的相关专利报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料及其应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料，其制备方法包括以下步骤：
（1）将0.1-2克硫酸钛分散于1-10摩尔/升的硫酸溶液中，然后逐滴加入含有1-10毫升油酸丁酯和1-10毫升油胺的反应釜中，搅拌30分钟后在100-200度的烘箱中，反应5-20小时；
（2）反应结束后，自然冷却得到白色沉淀物，白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70度干燥12小时，进一步在氩气氛下经过300-500度煅烧2-10小时，得到碳包覆锐钛矿相二氧化钛介晶（TiO2@C）纳米复合材料，其尺寸为200-230纳米。
所述的碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料在钠离子电池中的应用，该钠离子电池的制备方法为：按质量比TiO2@C纳米复合材料：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝70：20：10混合研磨后均匀地涂在铜箔上做负极，参比电极和对电极均为金属锂，电解质为1.0 M NaClO4的PC+EC+5%FEC(PC/EC=1/1 v/v)溶液，所有组装均在手套箱里进行。
本发明的显著特点在于：本发明采用简单的一步水热法和后期的碳化过程，将表面活性剂碳化原位合成碳包覆二氧化钛介晶，该方法工艺简单，成本廉价，能耗低，重现性好，性能优异。所制备的碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料具有由纳米晶自组装而成的具有多孔结构作为钠离子电池负极材料具有很高的比容量和循环稳定性，在电流密度为168mA/g时充放电循环500圈容量稳定在200 mAh/g以上。
这种由纳米晶单元自组装而成的超级结构具有高度有序的排列方式和较为合适的比表面积，可避免副反应引起的不可逆容量的损失。同时，在二氧化钛介晶表面原位复合碳材料后可加快电子和离子的传输，有利于提高嵌钠能力。
附图说明
图1为实施例1制备的TiO2@C的XRD谱图。
图2为实施例1制备的TiO2@C的扫描电镜图。
图3为实施例1制备的TiO2@C的透射电镜图（左）及选区电子衍射图（右）。
图4为实施例1制备的TiO2@C的电化学性能图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料，其制备方法包括以下步骤：
（1）将1克硫酸钛分散于5摩尔/升的硫酸溶液中，然后逐滴加入含有5毫升油酸丁酯和5毫升油胺的反应釜中，搅拌30分钟后在150度的烘箱中，反应10小时；
（2）反应结束后，自然冷却得到白色沉淀物，白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70度干燥12小时，进一步在氩气氛下经过400度煅烧5小时，得到碳包覆锐钛矿相二氧化钛介晶（TiO2@C）纳米复合材料，其尺寸为200-230纳米。
由图1可知，本发明制得的材料确为碳包覆二氧化钛介晶（TiO2@C）纳米材料, 其衍射峰均可归属为四方相锐钛矿二氧化钛 (JCPDS 卡号：21-1272)。由图2可知，碳包覆二氧化钛介晶大小均匀，其尺寸为200-230纳米。由图3可知，二氧化钛介晶具有多孔结构，由纳米晶自组装而成，具有高度有序的排列方式，其表面被碳材料均匀包覆。
实施例2
一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料，其制备方法包括以下步骤：
（1）将0.1克硫酸钛分散于1摩尔/升的硫酸溶液中，然后逐滴加入含有1毫升油酸丁酯和1毫升油胺的反应釜中，搅拌30分钟后在100度的烘箱中，反应5小时；
（2）反应结束后，自然冷却得到白色沉淀物，白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70度干燥12小时，进一步在氩气氛下经过300度煅烧2小时，得到碳包覆锐钛矿相二氧化钛介晶（TiO2@C）纳米复合材料，其尺寸为200-230纳米。
实施例3
一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料，其制备方法包括以下步骤：
（1）将2克硫酸钛分散于10摩尔/升的硫酸溶液中，然后逐滴加入含有10毫升油酸丁酯和10毫升油胺的反应釜中，搅拌30分钟后在200度的烘箱中，反应20小时；
（2）反应结束后，自然冷却得到白色沉淀物，白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70度干燥12小时，进一步在氩气氛下经过500度煅烧10小时，得到碳包覆锐钛矿相二氧化钛介晶（TiO2@C）纳米复合材料，其尺寸为200-230纳米。
实施例4：应用
将实施例1制得的TiO2@C用于钠离子电池的制备，并进行电化学性能测试。
钠离子电池组装：按质量比TiO2@C纳米复合材料：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝70：20：10混合研磨后均匀地涂在铜箔上做负极，参比电极和对电极均为金属锂，电解质为1.0 MNaClO4的PC+EC+5%FEC(PC/EC=1/1 v/v)溶液，所有组装均在手套箱里进行。
所制备的碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料作为钠离子电池负极材料具有很高的比容量和循环稳定性，由图4可知，在电流密度为168 mA/g时充放电循环500圈容量稳定在200 mAh/g以上。
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 (3)

1.一种碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
（1）将0.1-2克硫酸钛分散于1-10摩尔/升的硫酸溶液中，然后逐滴加入含有1-10毫升油酸丁酯和1-10毫升油胺的反应釜中，搅拌30分钟后在100-200度的烘箱中，反应5-20小时；
（2）反应结束后，自然冷却得到白色沉淀物，白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70度干燥12小时，进一步在氩气氛下经过300-500度煅烧2-10小时，得到碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料，其特征在于，所述碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料的尺寸为200-230纳米。
3.一种如权利要求1或2所述的碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料的应用，其特征在于，所述的碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料在钠离子电池中的应用，该钠离子电池的制备方法为：按质量比碳包覆二氧化钛介晶纳米复合材料：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝70：20：10混合研磨后均匀地涂在铜箔上做负极，参比电极和对电极均为金属锂，电解质为1.0 MNaClO4的PC+EC+5%FEC溶液，其中体积比PC/EC=1/1，所有组装均在手套箱里进行。
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