CN108766772B - 一种碳包覆磷酸钛钠及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳包覆磷酸钛钠及其制备和应用，其特点是以50～1000nm的磷酸钛钠颗粒及包覆在其表面碳框架构成一种用于制作电极的复合材料，其制备包括：框架模板的制备、框架模板的碳化、前驱体的制备、前驱体的碳化等步骤；将碳包覆磷酸钛钠与聚偏四氟乙烯和Super‑P导电剂混合后分散于1‑甲基吡咯烷酮中制成浆料，均匀涂布在石墨纸上，干燥后制得电容去离子的负极极材料。本发明与现有技术相比具有脱盐量和电荷效率高，循环性能和化学稳定性优良、长循环寿命等优点，制备简单、成本低廉，易于实现工业规模化应用。
Description
技术领域
本发明涉及电容电极材料技术领域，具体地说是一种用于电容去离子负极材料的碳包覆磷酸钛钠及其制备和应用。
背景技术
当人类社会步入21世纪后，淡水资源短缺的问题日趋严峻，甚至影响到许多国家的发展，这主要是因为，一、人口爆炸和工业化进程加速，二、淡水资源的分布又极其不均衡。虽然淡水资源十分短缺，但是，地球上却拥有着丰富的海水及苦咸水资源，因此，对这类含盐水资源进行脱盐成为解决淡水资源匮乏的一个有效途径，一系列的脱盐技术也响应这种需求而产生，其中，电容去离子（Capacitive deionization， CDI）技术，因为其能耗低、无二次污染等优点备受关注。一般来说，这一技术的实施过程为：当含盐水经过一对外加电压的电极时，水中的离子会被吸附到具有相反电荷的电极上，达到除盐的效果，当吸附达到平衡后，通过短接或施加反向电压可以实现电极的再生。
电容去离子器件中通常使用多孔炭材料作为电极，如活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯等，这是因为这类多孔碳材料具有比表面积高、导电性好、化学稳定性优良的特点。但是，这类多孔炭电极材料吸附离子主要是通过双电层原理，大量实现结果表明，基于双电层原理的电极材料，虽然具有吸附-脱附离子迅速的特点，但其吸附离子的能力有限，特别是相对于用于离子电池的电极材料。因此，通过在CDI模块中引入电池电极材料，组成一对由电池电极和双电层电极构造的CDI模块，既能发挥双电层电极快速吸附离子的优势，又能通过电池电极提高吸附离子的能力。
在大量的电池电极材料中，磷酸钛钠作为一种缺钠的负极材料，具有比容量高、化学稳定性强、制备简单且环境友好等特点，但其存在着导电性差的缺点，严重限制约该材料的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种碳包覆磷酸钛钠及其制备和电极材料应用，采用炭化的金属有机框架化合物（Metal-organic frameworks， MOF）为钛源，制备以立方体结构聚集的100～1000 nm碳微粒包覆磷酸钛钠的电极复合材料，纳米炭粒既能提高磷酸钛钠的导电性，又能避免磷酸钛钠的团聚，使得制备的磷酸钛钠颗粒更小，从而缩短了吸附过程中钠离子的传输路径，得到的磷酸钛钠被用作电极材料和活性炭组成不对称的CDI模块时，其脱盐能力可达到127 mg/g，具有比容量高、循环性能优良等优点，制备方法简单、成本低廉，易于实现工业规模化应用。
实现本发明目的的技术方案是：一种碳包覆磷酸钛钠，其特点是以50～1000nm的磷酸钛钠颗粒及包覆在其表面碳框架构成一种用于制作电极的复合材料，所述碳框架为饼状；所述磷酸钛钠颗粒为完整或不完整的六面体结构。
一种碳包覆磷酸钛钠的制备，其特点是该制备具体包括以下步骤：
a、框架模板的制备
将钛源与对苯二甲酸、无水甲醇和N, N-二甲基甲酰胺按1g：1.5～4.0g：0.1～120mL :120～240mL质量体积比混合，在100～200℃温度下水热反应12～48h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为金属有机框架模板；所述钛源为钛酸四丁酯或乙酰丙酮氧钛。
b、框架模板的碳化
将上述制备的金属有机框架模板在惰性气体保护和400～1000℃温度下碳化处理1~10h，得到碳化的金属有机框架模板，所述碳化升温速率为1～20℃/min。
c、前驱体的制备
将上述碳化的金属有机框架模板与钠源、磷源和去离子水按1:1~2:1~2:1~5质量比混合，研磨均匀后在120～200℃温度下水热反应4~24h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体；所述钠源为磷酸二氢钠、碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠中的任意一种或两种以上的混合；所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸铵中的任意一种或至少两种的混合物。
d、前驱体的碳化
将上述制备的前驱体在惰性气体保护和400～1000℃温度下碳化处理4~24h，得到立方体结构的碳包覆磷酸钛钠复合材料，所述前驱体碳化的升温速率为1～20℃/min。
一种碳包覆磷酸钛钠的应用，其特点是将碳包覆磷酸钛钠与聚偏四氟乙烯和Super-P导电剂按70︰10︰20质量比混合，并分散于1-甲基吡咯烷酮中制成浆料，搅拌后均匀涂布在0.5 mm厚的石墨纸上，干燥后制得电容去离子的负极材料。
本发明与现有技术相比具有脱盐量和电荷效率高，循环性能和化学稳定性优良、长循环寿命等优点，不但提高了磷酸钛钠的导电性，又能避免磷酸钛钠的团聚，使得制备的磷酸钛钠颗粒更小，缩短吸附过程中钠离子的传输路径，得到的磷酸钛钠被用作电极材料和活性炭组成不对称的CDI模块时，其脱盐能力可达到127 mg/g，制备方法简单、成本低廉，易于实现工业规模化应用。
附图说明
图1为实施例6制备的金属有机框架模板扫描电镜图；
图2为实施例6制备的碳包覆磷酸钛钠电极复合材料扫描电镜图；
图3为实施例6制备的碳包覆磷酸钛钠电极复合材料X射线衍射图；
图4为实施例6制备的碳包覆磷酸钛钠电极复合材料电容去离子循环性能图。
具体实施方式
通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
步骤a：将钛酸四丁酯与对苯二甲酸按1：2质量比溶于甲醇与N, N-二甲基甲酰胺体积比为24:216的混合溶剂中，混合均匀后在150℃温度下水热反应24h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为饼形金属有机框架模板。
步骤b：将步骤a所制备的饼形金属有机框架模板在氮气保护下，以1℃/min的升温速率将温度升至400℃，并在该温度下保持2h，然后将温度降至室温，得到饼形中间产物为碳化的金属有机框架模板。
步骤c：将步骤b所制得碳化的金属有机框架模板与磷酸二氢钠、磷酸和去离子水按1:1:1:1质量比混合，研磨均匀后在150℃温度下水热反应6h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体。
步骤d：将步骤c所制得的前驱体，在氮气保护下且以1℃/min的升温速率将温度升至700℃温度，并在该温度下保持6h，然后降至室温，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为S1电极复合材料。
实施例2
步骤a：将钛酸四丁酯与对苯二甲酸按1：4质量比，溶于甲醇与N, N-二甲基甲酰胺体积比为24:216的混合溶剂中，混合均匀后在200℃温度下水热反应10h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为饼形金属有机框架模板。
步骤b：将步骤a所制得的饼形金属有机框架模板在氩气保护下，以10℃/min的升温速率将温度升至1000℃，并在该温度下保持2h，然后将温度降至室温，得到饼形中间产物为碳化的金属有机框架模板。
步骤c：将步骤b所制得碳化的金属有机框架模板与碳酸钠、磷酸和去离子水按1:1:1:1质量比混合，研磨均匀后在150℃温度下水热反应6h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体。
步骤d：将步骤c所制得的前驱体，在氩气保护下且以1℃/min的升温速率将温度升至700℃温度，并在该温度下保持6h，然后降至室温，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为S2电极复合材料。
实施例3
步骤a：将钛酸四丁酯与对苯二甲酸按1：2质量比溶于甲醇与N, N-二甲基甲酰胺体积比为120:120的混合溶剂中，混合均匀后在150℃温度下水热反应24h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为饼形金属有机框架模板。
步骤b：将步骤a所制得的饼形金属有机框架模板在氩气保护下，以5℃/min的升温速率将温度升至1000℃，并在该温度下保持2h，然后将温度降至室温，得到饼形中间产物为碳化的金属有机框架模板。
步骤c：将步骤b所制得碳化的金属有机框架模板与磷酸二氢钠、磷酸和去离子水按1:1:1:1质量比混合，研磨均匀后在150℃温度下水热反应6h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体。
步骤d：将步骤c所制得的前驱体，在氩气保护下且以1℃/min的升温速率将温度升至400℃温度，并在该温度下保持6h，然后降至室温，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为S3电极复合材料。
实施例4
步骤a：将乙酰丙酮氧钛与对苯二甲酸按1：2质量比溶于甲醇与N, N-二甲基甲酰胺体积比为24:216的混合溶剂中，混合均匀后在150℃温度下水热反应48h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为饼形金属有机框架模板。
步骤b：将步骤a所制得的饼形金属有机框架模板在氩气保护下，以1℃/min的升温速率将温度升至400℃，并在该温度下保持2h，然后将温度降至室温，得到饼形中间产物为碳化的金属有机框架模板。
步骤c：将步骤b所制得碳化的金属有机框架模板与磷酸二氢钠、磷酸和去离子水按1:2:2:5质量比混合，研磨均匀后在200℃温度下水热反应2h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体。
步骤d：将步骤c所制得的前驱体，在氩气保护下且以10℃/min的升温速率将温度升至700℃温度，并在该温度下保持6h，然后降至室温，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为S4电极复合材料。
实施例5
步骤a：将乙酰丙酮氧钛与对苯二甲酸按1：2质量比溶于甲醇与N, N-二甲基甲酰胺体积比为24:216的混合溶剂中，混合均匀后在150℃温度下水热反应24h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为饼形金属有机框架模板。
步骤b：将步骤a所制得的饼形金属有机框架模板在氩气保护下，以10℃/min的升温速率将温度升至1000℃，并在该温度下保持2h，然后将温度降至室温，得到饼形中间产物为碳化的金属有机框架模板。
步骤c：将步骤b所制得碳化的金属有机框架模板与磷酸二氢钠、磷酸和去离子水按1:1:1:1质量比混合，研磨均匀后在150℃温度下水热反应6h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体。
步骤d：将步骤c所制得的前驱体，在氩气保护下且以10℃/min的升温速率将温度升至1000℃温度，并在该温度下保持2h，然后降至室温，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为S5电极复合材料。
实施例6
步骤a：将钛酸四丁酯与对苯二甲酸按1：2质量比溶于甲醇与N, N-二甲基甲酰胺体积比为1:240的混合溶剂中，混合均匀后在150℃温度下水热反应24h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为饼形金属有机框架模板。
步骤b：将步骤a所制得的饼形金属有机框架模板在氩气保护下，以1℃/min的升温速率将温度升至1000℃，并在该温度下保持2h，然后将温度降至室温，得到饼形中间产物为碳化的金属有机框架模板。
步骤c：将步骤b所制得碳化的金属有机框架模板与磷酸二氢钠、磷酸和去离子水按1:1:2:5质量比混合，研磨均匀后在150℃温度下水热反应6h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体。
步骤d：将步骤c所制得的前驱体，在氩气保护下且以1℃/min的升温速率将温度升至700℃温度，并在该温度下保持18h，然后降至室温，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为S6电极复合材料。
参阅附图1，上述实施例6制备的金属有机框架模板经扫描电镜（SEM）表征，金属有机框架模板为饼状，表面布满500~1000 nm颗粒，其厚度为100~200 nm。
参阅附图2，上述实施例6制备的碳包覆磷酸钛钠电极复合材料经扫描电镜（SEM）表征，可以看出经步骤b~d反应后产物表面更为光滑。
参阅附图3，上述实施例6制备的碳包覆磷酸钛钠电极复合材料经X射线衍射表征，可以看出该材料在结构上与磷酸钛钠标准卡片33~1296一致，说明最终得到的产物就是磷酸钛钠。
实施例7
将上述各实施例制备的碳包覆磷酸钛钠复合材料逐一与聚偏四氟乙烯和Super-P导电剂按70︰10︰20质量比混合，并分散于1-甲基吡咯烷酮中制成浆料，搅拌后均匀涂布在0.5 mm厚的石墨纸上，经干燥后制得边长为6 cm的正方形电极。将该电极与活性炭作为对电极，组装成电容去离子模块，使用10 mM 的NaCl水溶液对电容去离子模块进行脱盐性能的测试，测试设备包括电化学工作站（辰华1140C型电化学分析仪）、蠕动泵（保定兰格），各电极的脱盐性能结果见下表1。
表1各实施例制备的碳包覆磷酸钛钠复合材料脱盐性能一览表
表中：AC为活性炭，S1～S6为实施例1~6制备的碳包覆磷酸钛钠复合材料。
参阅附图4，将实施例6制备的S6电极复合材料，按实施例7的方法组装电容去离子器件，在进水为10 mM的NaCl水溶液，外加电压为2.2 V（充电）/-2.2 V（放电）的条件下，进行100次的循环吸附-脱附，实验结果表明，该立方体结构的碳包覆磷酸钛钠复合材料的脱盐量高达127 mg/g，30次循环后脱盐量仍然可以保持125 mg/g，容量保持率为98.4 %，具有较好的循环稳定性。
以上各实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明的等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种碳包覆磷酸钛钠，其特征在于以50～1000nm的磷酸钛钠颗粒及包覆在其表面碳框架构成一种用于制作电极的复合材料，所述碳框架为饼状；所述磷酸钛钠颗粒为完整或不完整的六面体结构。
2.一种权利要求1所述碳包覆磷酸钛钠的制备，其特征在于该制备具体包括以下步骤：
a、框架模板的制备
将钛源与对苯二甲酸、无水甲醇和N, N-二甲基甲酰胺按1g：1.5～4.0g：0.1～120mL :120～240mL质量体积比混合，在100～200℃温度下水热反应12～48h，反应液经离心分离后用N, N-二甲基甲酰胺和无水甲醇分别清洗3次，制得的有机无机杂化物为金属有机框架模板；所述钛源为钛酸四丁酯或乙酰丙酮氧钛；
b、框架模板的碳化
将上述制备的金属有机框架模板在惰性气体保护和400～1000℃温度下碳化处理1~10h，得到碳化的金属有机框架模板，所述碳化升温速率为1～20℃/min；
c、前驱体的制备
将上述碳化的金属有机框架模板与钠源、磷源和去离子水按1:1~2:1~2:1~5质量比混合，研磨均匀后在120～200℃温度下水热反应4~24h，反应液经离心分离后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，制得立方体结构的碳包覆磷酸钛钠为前驱体；所述钠源为磷酸二氢钠、碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠中的任意一种或两种以上的混合；所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸铵中的任意一种或至少两种的混合物；
d、前驱体的碳化
将上述制备的前驱体在惰性气体保护和400～1000℃温度下碳化处理4~24h，得到立方体结构的碳包覆磷酸钛钠复合材料，所述前驱体碳化的升温速率为1～20℃/min。
3.一种权利要求1所述碳包覆磷酸钛钠的应用，其特征在于将碳包覆磷酸钛钠与聚偏四氟乙烯和Super-P导电剂按70︰10︰20质量比混合，并分散于1-甲基吡咯烷酮中制成浆料，搅拌后均匀涂布在0.5 mm厚的石墨纸上，干燥后制得电容去离子的负极材料。
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