CN108666544B - 一种以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法 - Google Patents

一种以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法 Download PDF

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Abstract

一种以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法，其主要是将CoCl2·6H2O和配体(均苯三甲酸、2‑甲基咪唑、对苯二甲酸)溶解于溶剂(N,N‑二甲基甲酰胺、无水甲醇、无水乙醇)中使用特氟龙反应釜利用溶剂热法制备钴基MOF，然后，将钴基MOF分散到无水甲醇溶液中加入钛酸丁酯的无水甲醇溶液再进行一次溶剂热使钛氧化物复合到钴基MOF上，得到前驱体，最后利用特制的不锈钢釜在保护气下密闭进行合金化反应，生成碳包覆的CoTiO3纳米微晶材料。本发明合成成本低、反应条件温和、重复性高，所制备材料纳米微晶粒径小，碳对CoTiO3纳米微晶包覆均匀，制备的碳包覆CoTiO3纳米微晶材料电化学性能优良。

Description

一种以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种电池负极材料的制备方法。
背景技术
锂离子二次电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、安全无污染等优点，已成为发展最快和最受重视的高能蓄电池。商业化石墨碳负极材料具有良好的循环性能，但比容量(300mAhg-1-350mAhg-1)较低，不能满足高比能量电池的发展要求，迫切需要进行新型高容量负极材料的研究和探索。
近年来，金属氧化物作为锂离子电池负极材料的报道越来越多，尤其是过渡金属氧化物如(Fe,Co,Ni)。过渡金属氧化物以其独特的转化机制应用于锂离子电池负极，拥有很高的比容量如钴基金属氧化物比容量大约在700mAhg-1-1000mAhg-1，很有希望应用于锂离子电池负极材料，然而由于在锂的脱出和嵌入过程中材料体积变化太大，导致材料可逆容量衰减太快，极大地限制了材料的应用。对于这种情况的改进方法有：(1)制备不同微米级或纳米级的不同形貌的材料来缓解材料自身的体积变化。(2)引入其他金属制备双金属氧化物，增加材料的机械稳定性，(3)包覆碳材料来缓解锂离子脱出嵌入过程中材料的体积变化。
CoTiO3是一种双金属氧化物，具有钛铁矿和钙钛矿两种构型，理论容量约500mAhg-1. 且材料的机械稳定性比单金属氧化物如Co3O4要大。CoTiO3不仅拥有较高的容量，而且其循环稳定性也较单金属氧化物(Co3O4)高。因此，具有很好的应用前景。Ting Yu等(Nanoscale, 2013,5(17):8105-8113.)，利用溶剂热和高温合金化制备出在台前上生长的以二氧化钛空心阵列管为壳CoTiO3纳米微晶为核的核壳电极材料。但是这种材料导电性能一般，而且其制备成本高，不适用于工业应用。Lixin Chen等(Journal of Alloys&Compounds,2017,700:54-60.) 利用球磨的方法，制备了石墨烯负载的钛酸钴颗粒。该方法需要高质量的石墨烯来做负载体成本较高，且无法保证钛酸钴纳米颗粒均匀负载在石墨烯上。因此，开发一种低成本，重复性高，锂离子电化学性能优良，而且碳材料均匀包覆的钛酸钴纳米微晶的方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成成本低、反应条件温和、重复性高、电化学性能优良的以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法。本发明主要利用溶剂热法在较低的温度下制备出钴基MOF，然后在经过一次溶剂热法引入钛氧化物，最后利用高温固相反应，制备出碳包覆CoTiO3纳米微晶。
本发明的技术方案如下：
(1)制备钴基MOF
按CoCl2·6H2O与配体的摩尔比为1：1～2的比例，在搅拌的条件下，按每mL溶剂中加入14.8mg～26.6mg CoCl2·6H2O和配体混合物的比例，将CoCl2·6H2O和配体溶解在溶剂中，搅拌10～30分钟，按溶剂与稀氨水的体积比为6.5～16:1的比例，加入浓度为0.5mol/L的稀氨水，混合均匀后，将溶液转移到特氟龙反应釜中，填充量为50％～70％，密封反应釜；
所述配体为对苯二甲酸、均苯三甲酸、2-甲基咪唑中任意一种，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或无水甲醇或无水乙醇中的任意一种。
将上述的反应釜置于坩埚炉中，在100～180℃下加热12～24h，然后待反应釜自然冷却至室温，得到混合物；将混合物用无水乙醇洗涤3次，过滤，将所得的粉末置于真空干燥箱中60℃下真空干燥6h～12h，得到片层堆叠的钴基MOF。
(2)制备钛氧化物复合钴基MOF前驱体
按每1mL甲醇溶液加入1mg钛酸丁酯的比例，配制成A溶液，按每1mL甲醇溶液加入10～13.3mg钴基MOF的比例，将步骤(1)的钴基MOF分散到甲醇溶液中，超声10分钟使分散均匀，配制成B溶液；再按体积比3～4:3～4的配比将A溶液和B溶液混合，搅拌10～ 30min，转移到特氟龙反应釜中，100～180℃加热4～10h，待反应釜冷却至室温，将产物用无水乙醇洗涤3次，过滤，将所得粉末置于真空干燥箱中60℃下真空干燥6～12h，得到钛氧化物复合钴基MOF；
(3)制备碳包覆CoTiO3纳米微晶
制备将步骤(2)制备的钛氧化物复合钴基MOF置于特制的不锈钢釜中，惰性气体保护下密封不锈钢釜，加热400～500℃，反应3～6小时后，待其自然冷却。得到碳包覆CoTiO3纳米微晶材料。
所述特制不锈钢釜为不锈钢材质，其包括釜体和釜盖，釜体中心为空腔，釜高为3㎝，釜壁厚度为0.5mm，釜容量为3ml，釜体口和釜盖均设有螺纹，采用螺纹式密封，能耐受600℃高温，耐受20Mpa高压。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、合成成本低、反应条件温和、重复性高。
2、利用MOF为前驱体制备碳包覆CoTiO3纳米微晶，保证了钛酸钴纳米微晶均匀的包覆在碳中。
3、制备的碳包覆CoTiO3纳米微晶材料相比于纯CoTiO3其导电性得到了很大的提升，这种提升使其阻抗减小，大大提升了锂离子电池的电化学性能。
4、无定形碳的包覆在一定程度上对材料的体积变化起到限制作用，所以基于这种作用材料的高倍率放电性能很优秀。
5、制备的碳包覆CoTiO3纳米微晶材料容量是商业石墨的两倍左右，且高倍率放电性能优异，生产相对简单，有大规模生产的前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的钴基MOF的透射电子显微镜图。
图2是本发明实施例1制得的钛氧化物复合的钴基MOF透射图。
图3是本发明实施例2制得的碳包覆CoTiO3纳米微晶的透射图。
图4是本发明实施例2制得的碳包覆CoTiO3纳米微晶的XRD图。
图5是本发明实施例3制得的碳包覆CoTiO3纳米微晶的XPS总谱线图。
图6是本发明实施例3制得的碳包覆CoTiO3纳米微晶2000mAhg-1时的长循环充放电曲线图。
具体实施方式
实施例1
(1)将237mg CoCl2·6H2O和332mg对苯二甲酸放入32ml N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌10分钟，加入2mL浓度为0.5mol/L的稀氨水，混合均匀后，放入50ml特氟龙釜中，填充量为70％，密封，100℃反应24小时，待釜自然冷却后，用无水乙醇将混合物离心洗涤3次，在60℃下真空干燥6小时，得到片层堆叠的钴基MOF。
(2)按每1mL无水甲醇溶液加入1mg钛酸丁酯的比例，配制成A溶液，将200mg钴基MOF分散到20mL无水甲醇溶液中，超声10分钟使其均匀分散，配制成B溶液；之后在 B溶液中加入15ml A溶液，搅拌10分钟，然后将分散液转移到特氟龙反应釜中，填充量70％。密闭加热100℃，反应10小时。待冷却后，用无水乙醇离心洗涤3次，60℃真空干燥6小时，得到氧化钛复合的钴基MOF前驱体。
(3)将,钴基MOF前驱体放入特制的铁釜中(氮气氛围下)，密闭，400℃下加热6小时，待自然冷却，即得到碳包覆CoTiO3纳米微晶材料。
如图1所示，可以清晰地看到到六边形钴基MOF材料，大约直径在1～2um。
如图2所示，可以清晰地看到钛氧化物均匀地复合在钴基MOF片层上。
实施例2
(1)将355mg CoCl2·6H2O和162mg 2-甲基咪唑放入22ml无水乙醇中，搅拌30分钟，加入3mL浓度为0.5mol/L的稀氨水，混合均匀后，放入50毫升特氟龙釜中，填充量为50％，密封，130℃反应16小时，待釜自然冷却后，用无水乙醇将混合物离心洗涤3 次，在60℃下真空干燥12小时，得到片层堆叠的钴基MOF。
(2)按每1mL无水甲醇溶液加入1mg钛酸丁酯的比例，配制成A溶液，将200mg 钴基MOF分散到17.5mL无水甲醇溶液中，超声10分钟使其均匀分散，配制成B溶液；之后在B溶液中加入A溶液，搅拌20分钟，然后将分散液转移到特氟龙反应釜中，填充量70％，密闭加热160℃，反应6小时，待冷却后，用无水乙醇离心洗涤3次，60℃真空干燥12小时，得到氧化钛复合的钴基MOF前驱体。
(3)将钴基MOF前驱体放入特制的铁釜中(氮气氛围下)，密闭，500℃下加热3 小时，待自然冷却，即得到碳包覆CoTiO3纳米微晶材料
如图3所示，可以看出CoTiO3纳米微晶均匀的包覆在碳中，且CoTiO3纳米微晶的颗粒大小约为50nm左右。
如图4所示，可以清晰地观察到无定形碳的峰(约20°左右的位置的馒头形峰)
实施例3
(1)将237mg CoCl2·6H2O和210mg均苯三甲酸放入26ml无水甲醇中，搅拌20分钟，加入4mL浓度为0.5mol/L的稀氨水，混合均匀后，放入50毫升特氟龙釜中，填充量为60％，密封，180℃反应12小时，待釜自然冷却后，用无水乙醇将混合物离心洗涤3次，在60℃下真空干燥10小时，得到钴基MOF。
(2)按每1mL无水甲醇溶液加入1mg钛酸丁酯的比例，配制成A溶液，将200mg钴基MOF分散到15mL无水甲醇溶液中，超声10分钟使其均匀分散，配制成B溶液；之后在 B溶液中加入20mL A溶液，搅拌30分钟，然后将分散液转移到特氟龙反应釜中，填充量70％，密闭加热180℃，反应4小时，待冷却后，用无水乙醇离心洗涤3次，60℃真空干燥10小时，得到氧化钛复合的钴基MOF前驱体。
(3)将钴基MOF前驱体放入特制的铁釜中(氮气氛围下)，密闭，450℃下加热5小时，待自然冷却，即得到碳包覆CoTiO3纳米微晶材料。
如图5所示，在284eV对应C原子的峰，457.9eV和463.5eV处对应Ti原子的峰，529.8eV和531.2eV处对应O原子的峰，779.8eV和795.7eV处对应Co原子的峰。
如图6所示，将碳包覆CoTiO3纳米微晶组装成电池，在2000mAg-1的高电流密度下对其进行充放电，经过1400次循环，该电池释放出了610mAhg-1的可逆容量，可以证明碳包覆CoTiO3纳米微晶优异的储锂性能。

Claims (2)

1.一种以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法，其特征在于：
(1)制备钴基MOF
按CoCl2·6H2O与配体的摩尔比为1：1～2的比例，在搅拌的条件下，按每mL溶剂中加入14.8mg～26.6mg CoCl2·6H2O和配体混合物的比例，将CoCl2·6H2O和配体溶解在溶剂中，搅拌10～30分钟，按溶剂与稀氨水的体积比为6.5～16:1的比例，加入浓度为0.5mol/L的稀氨水，混合均匀后，将溶液转移到特氟龙反应釜中，填充量为50％～70％，密封反应釜；
将上述的反应釜置于坩埚炉中，在100～180℃下加热12～24h，然后待反应釜自然冷却至室温，得到混合物；将混合物用无水乙醇洗涤3次，过滤，将所得的粉末置于真空干燥箱中60℃下真空干燥6h～12h，得到片层堆叠的钴基MOF；
(2)制备钛氧化物复合钴基MOF前驱体
按每1mL甲醇溶液加入1mg钛酸丁酯的比例，配制成A溶液，按每1mL甲醇溶液加入10～13.3mg钴基MOF的比例，将步骤(1)的钴基MOF分散到甲醇溶液中，超声10分钟使分散均匀，配制成B溶液；再按体积比3～4:3～4的配比将A溶液和B溶液混合，搅拌10～30min，转移到特氟龙反应釜中，100～180℃加热4～10h，待反应釜冷却至室温，将产物用无水乙醇洗涤3次，过滤，将所得粉末置于真空干燥箱中60℃下真空干燥6～12h，得到钛氧化物复合钴基MOF；
(3)制备碳包覆CoTiO3纳米微晶
将步骤(2)制备的钛氧化物复合钴基MOF置于特制不锈钢釜中，之后再惰性气体保护下密封不锈钢釜，加热至400～500℃，反应3～6小时后，待其自然冷却，得到碳包覆CoTiO3纳米微晶材料；
所述特制不锈钢釜为不锈钢材质，其包括釜体和釜盖，釜体中心为空腔，釜高为3㎝，釜壁厚度为0.5mm，釜容量为3ml，釜体口和釜盖均设有螺纹，采用螺纹式密封，能耐受600℃高温，耐受20Mpa高压。
2.根据权利要求1所述的以MOF衍生制备碳包覆CoTiO3纳米微晶材料的合成方法，其特征在于：所述配体为对苯二甲酸、均苯三甲酸、2-甲基咪唑中任意一种，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水甲醇、无水乙醇中的任意一种。
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