CN107492658A - 一种二硫化钛纳米片及其制备方法 - Google Patents

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张长松
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Abstract

本发明公开了一种二维二硫化钛纳米片及其制备方法，以氢氟酸刻蚀Ti3SiC2、Ti3AlC2或者Ti2AlC陶瓷粉末材料所制备出的手风琴状碳化钛材料为原料，通过硫化氢气体高温处理以及后续的液相超声剥离，可以制备出二维二硫化钛纳米片。作为锂离子电池负极材料，该二维二硫化钛纳米片具有较高的比容量，良好的倍率性能和充放电循环性能。

Description

一种二硫化钛纳米片及其制备方法
技术领域
本发明涉及二维纳米材料的制备领域，具体说是一种二维二硫化钛纳米片的制备方法。
背景技术
石墨烯以及类石墨烯二维纳米材料是近年来新兴的纳米材料，由于其独特的结构和性质，使其可以广泛应用于储能、催化、电子等领域。碳化钛二维纳米材料是一种新型的类石墨烯纳米材料，具有厚度薄、电导率高等优点，可以应用于锂离子电池、锂硫电池、超级电容器、燃料电池等领域，但其较低的质量比容量限制了其进一步的发展。
二硫化钛具有鳞片状晶体结构，可以作为负极材料应用于锂离子电池中，但具有二维结构二硫化钛纳米片的制备较为困难，导致其在电极中的有效利用率较低，为了制备出二硫化钛纳米片，可以采用如下方法：首先，
通过HF化学刻蚀Ti3SiC2、Ti3AlC2或者Ti2AlC等层状陶瓷材料进行制备具有手风琴状的碳化钛纳米片，其次，在高温条件下通过H2S气体与碳化钛纳米片间发生化学反应生成二硫化钛，再次，液相超声处理所制备的二硫化钛可以获得二维纳米片。
发明内容
为了提高锂离子电池的比容量、倍率性能和充放电循环性能，本发明的目的在于提供一种二维TiS2纳米片及其制备方法，以该二维TiS2纳米片为负极材料应用于锂离子电池中，能够有效提高锂离子电池的比容量、倍率性能和充放电循环性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
通过HF化学处理Ti3SiC2、Ti3AlC2或者Ti2AlC陶瓷材料，可以制备出手风琴状的碳化钛二维纳米材料，其中碳化钛纳米片之间通过范德华力结合在一起，在300-1300oC高温条件下，通过H2S体积分数为1%-60%的H2S/N2或者H2S/Ar混合气体高温处理，这些碳化钛纳米片可以转化成TiS2，通过后续液相超声剥离可以制备出二维TiS2纳米片。
本发明的优良效果在于：
通过H2S气体高温处理碳化钛纳米片以及后续的液相超声剥离可以制备出TiS2纳米片，该法具有工艺简单、收率高、成本低等优点，便于工业化生产。以本发明制备的TiS2纳米片材料为负极应用于锂离子电池中，能够显著提高锂离子电池的比容量、倍率性能及充放电循环性能。
1.采用本发明制备的TiS2纳米片作为负极材料，有效提高了锂离子电池的比容量，改善了锂离子电池的倍率性能和充放电循环性能。
2.本发明制备TiS2纳米片的方法，具有产率高、成本低、工艺简单等优点，便于工业化放大生产。
3.采用本发明制备的TiS2纳米片，可以单独、也可以与其它材料进行复合，应用于锂离子电池中。
具体实施方式
实施例 1
在室温条件下通过40%的HF溶液处理Ti3SiC2粉末材料，制备出微观结构为手风琴状的Ti3C2材料，将该Ti3C2材料放置于管式炉中间位置处，尽可能的接近热偶放置的位置，然后通入H2S/Ar混合气体，其中混合气体中H2S的体积浓度为40%，2h后，以5oC/min的升温速率升至1100oC，保温5h后以 5oC/min的降温速率降温至室温，将所制备的固体粉末分散于异丙醇溶剂中，采用探头式超声设备进行超声液相剥离，通过离心分离即可获得二维TiS2纳米片。以所制备的TiS2纳米片为电极材料，通过与乙炔黑以及聚偏氟乙烯混合后涂覆于铜片上（质量比为80:10:10），经过真空烘干后作为电极，以金属锂片作为对电极，以含1mol L-1LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯（DMC）混合溶液为电解质（EC/DMC的体积比为1:1），在0.01-3V的测试电压下，经过充放电50次循环之后TiS2电极的可逆比容量为480 mAh g-1，仍能够保持初始容量的93%， 在1000mA g-1的电流密度下，电极的可逆比容量可达170 mAh g-1。
实施例 2
在室温条件下通过15%的HF溶液处理Ti2AlC粉末材料，制备出微观结构为手风琴状的Ti2C材料，将该Ti2C材料放置于管式炉中间位置处，尽可能的接近热偶放置的位置，然后通入H2S/Ar混合气体，其中混合气体中H2S的体积浓度为30%，2h后，以5oC/min的升温速率升至1200oC，保温6h后以 5oC/min的降温速率降温至室温，将所制备的固体粉末分散于异丙醇溶剂中，采用探头式超声设备进行超声液相剥离，通过离心分离即可获得二维TiS2纳米片。以所制备的TiS2纳米片为电极材料，通过与乙炔黑以及聚偏氟乙烯混合后涂覆于铜片上（质量比为80:10:10），经过真空烘干后作为电极，以金属锂片作为对电极，以含1mol L-1 LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯（DMC）混合溶液为电解质（EC/DMC的体积比为1:1），在0.01-3V的测试电压下，经过充放电50次循环之后TiS2电极的可逆比容量为460 mAh g-1，仍能够保持初始容量的89%， 在1000mA g-1的电流密度下，电极的可逆比容量可达160 mAh g-1。
实施例 3
在室温条件下通过30%的HF溶液处理Ti3AlC2粉末材料，制备出微观结构为手风琴状的Ti3C2材料，将该Ti3C2材料放置于管式炉中间位置处，尽可能的接近热偶放置的位置，然后通入H2S/Ar混合气体，其中混合气体中H2S的体积浓度为50%，2h后，以5oC/min的升温速率升至1200oC，保温6h后以 5oC/min的降温速率降温至室温，将所制备的固体粉末分散于异丙醇溶剂中，采用探头式超声设备进行超声液相剥离，通过离心分离即可获得二维TiS2纳米片。以所制备的TiS2纳米片为电极材料，通过与乙炔黑以及聚偏氟乙烯混合后（质量比为80:10:10）涂覆于铜片上，经过真空烘干后作为电极，以金属锂片作为对电极，以含1mol L-1LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯（DMC）混合溶液为电解质（EC/DMC的体积比为1:1），在0.01-3V的测试电压下，经过充放电100次循环之后TiS2电极的可逆比容量为510 mAh g-1，仍能够保持初始容量的95%， 在1000mA g-1的电流密度下，电极的可逆比容量可达210 mAhg-1。

Claims (7)

1. 一种二硫化钛纳米片及其制备方法，其特征在于：二维二硫化钛纳米片的厚度在1-50 nm 之间，可以作为负极材料应用于锂离子电池中。
2.按照权利要求1所述的一种二硫化钛纳米片及其制备方法，其特征在于：通过硫化氢气体高温处理手风琴状碳化钛纳米片以及后续液相超声剥离的方法制备。
3.按照权利要求1或2所述的一种二硫化钛纳米片及其制备方法，其特征在于：手风琴状碳化钛纳米片通过氢氟酸化学刻蚀Ti3SiC2、Ti3AlC2以及Ti2AlC陶瓷粉末的方法进行制备，其中HF的质量分数在2%-50%之间。
4.按照权利要求3所述的一种二硫化钛纳米片及其制备方法，其特征在于：手风琴状碳化钛纳米片，其化学组成为Ti3C2或者Ti2C。
5.按照权利要求1或2所述的一种二硫化钛纳米片及其制备方法，其特征在于：硫化氢气体采用惰性气体氮气或者氩气稀释，硫化氢气体的体积浓度在1%-60%之间。
6.按照权利要求1或2所述的一种二硫化钛纳米片及其制备方法，其特征在于：硫化氢气体高温处理手风琴状碳化钛纳米片，其处理温度在300-1300oC之间，高温处理时间在10min-12h之间。
7.按照权利要求1或2所述的一种二硫化钛纳米片及其制备方法，其特征在于：液相超声剥离方法为，采用探头式超声设备进行二硫化钛纳米片的超声剥离。
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