一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用，它涉及一种二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用。本发明专利技术的目的是要解决现有的碳化钛Ti3C2Tx与硫复合方法存在热处理融熔法耗时长，方法复杂和分散不均匀的问题。方法：一、制备二维层状碳化钛纳米片；二、复合，得到纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料。本发明专利技术制备的纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料不需要任何粘结剂，不仅简化了制备工艺，还降低了生产成本。以本发明专利技术制备的纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料作为正极材料组装锂硫电池循环150圈后，电容的保持率仍接近100％。本发明专利技术可获得一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料。
【技术实现步骤摘要】
一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用
本专利技术涉及一种二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用。
技术介绍
二维纳米材料因其在光学、电化学、催化等领域表现出的巨大应用潜能成为纳米材料领域研究的热点。作为新兴的二维纳米材料MXenes家族的典型代表，二维层状碳化钛Ti3C2Tx(T代表-O、-OH、-F、-Cl等官能团)为极性材料，具有非常好的导电性、表面亲水性和抗氧化性。特别是Ti3C2Tx表面的-OH，-O和-F等官能团(其成分和比例是由合成条件决定的)，与锂硫电池充放电过程中的产物LiPSs之间存在很好的Lewis酸碱作用，可以很好地锚定LiPSs，因此采用硫/二维层状碳化钛Ti3C2Tx复合材料作为正极材料是解决锂硫电池中LiPSs溶解问题的有效策略之一。由于二维层状碳化钛Ti3C2Tx属于新兴材料，因而利用其作为硫载体的报道尚屈指可数。迄今为止，仅有Nazar课题组(Angew.Chem.Int.Ed.54,3907-3911)和Chen课题组(J.Mater.Chem.A3,7870-7876)的工作报道。两个课题组均通过氢氟酸腐蚀碳铝钛获得手风琴状碳化钛Ti3C2Tx，然后利用热处理融熔法使碳化钛与单质硫复合，即通过在155℃环境下的长时间恒温加热使单质硫融化流入到Ti3C2Tx片层间空隙。Nazar课题组的退火时间为整夜，Chen课题组的退火时间为24小时，不仅耗时长，对人力、物力和财力资源造成浪费，而且如此长时间的加热过程，一旦保护气氛稍有破坏，就会导致碳化钛和硫的严重氧化，从而大大降低电极材料的性能。加之，手风琴状碳化钛不利于单质硫的均匀填充。因为手风琴状碳化钛片与片之间只有一侧是开放的，单质硫只能从这一侧进入到不同片的间隔区。而且间隔区的开口大小各有不同，热处理融熔法不能使所有间隔区都得到很好的填充，因而很难发挥二维层状碳化钛对多硫化物强有力的锚定作用，获得良好的循环稳定性。Nazar课题组循环100圈后电容的保持率为77％(C/2)和60％(C)，Chen课题组循环100圈后电容的保持率为77％(200mA/g)。而且，氢氟酸刻蚀的手风琴状碳化钛片层堆叠、层间距较小，在储能领域的应用受到严重限制。同时，氢氟酸的使用存在重大安全隐患。因此，寻求更为简单易行且行之有效的单质硫与二维层状碳化钛的复合方法具有重要的实际意义和商业价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有的碳化钛Ti3C2Tx与硫复合方法存在热处理融熔法耗时长，方法复杂和分散不均匀的问题，而提供一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用。一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、制备二维层状碳化钛纳米片：①、将氟化锂加入到浓度为6mol/L～12mol/L的盐酸中，再在搅拌速度为300r/min～500r/min下磁力搅拌5min～10min，得到溶液A；步骤一①中所述的氟化锂的质量与浓度为6mol/L～12mol/L的盐酸的体积比为(1g～3g):20mL；②、在冰水浴和搅拌速度为200r/min～1000r/min的条件下，分3次～15次向溶液A中加入Ti3AlC2粉末，搅拌至Ti3AlC2粉末均匀分散到溶液A中，然后在温度为30℃～50℃、搅拌速度为100r/min～500r/min条件下磁力搅拌24h～72h，得到溶液B；步骤一②中所述的Ti3AlC2粉末的质量与溶液A的体积比为(1g～3g):20mL；③、将溶液B在离心速度为6000r/min～8000r/min下离心3min～5min，去除上清液，得到沉淀物C；首先以去离子水为清洗剂，将沉淀物C均匀分散到去离子水中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对沉淀物C离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到去离子水清洗的沉淀物；以浓度为1mol/L的盐酸为清洗剂，将去离子水清洗的沉淀物均匀分散到浓度为1mol/L的盐酸中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对去离子水清洗的沉淀物离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到盐酸清洗的沉淀物；以氯化锂溶液为清洗剂，将盐酸清洗的沉淀物均匀分散到氯化锂溶液中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对盐酸清洗的沉淀物离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到沉淀物D；步骤一③中所述的氯化锂溶液中氯化锂的质量与去离子水的体积比为(4g～5g):100mL；④、以去离子水为清洗剂，将沉淀物D均匀分散到去离子水中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对沉淀物D清洗n次，每次清洗时间为3min～5min，直至无色透明的上清液变为悬浊液，再在离心速度为5000r/min下离心3min～5min，收集悬浊液，即为二维层状碳化钛纳米片悬浊液E；步骤一④中所述的n的取值范围为n≥1；步骤一④中所述的二维层状碳化钛纳米片悬浊液E中二维层状碳化钛纳米片的质量与去离子水的体积比为(50mg～200mg):100mL；二、复合：①、将硫纳米球在去离子水中超声分散20min～40min，再在搅拌速度为100r/min～500r/min下磁力搅拌1h～3h，得到溶液F；步骤二①中所述的硫纳米球的质量与去离子水的体积比为(100mg～300mg):(30mL～50mL)；②、将溶液F和二维层状碳化钛纳米片悬浊液E混合，再在搅拌速度为100r/min～500r/min下磁力搅拌0.5h～1.5h，得到溶液G；步骤二②中所述的溶液F与二维层状碳化钛纳米片悬浊液E的体积比为(30～50):(110～130)；③、将溶液G进行真空抽滤，得到固体物质，再将固体物质在温度为30℃～50℃下真空干燥6h～24h，即为一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料。本专利技术步骤一②中所述的Ti3AlC2粉末购买自福斯曼科技(北京)有限公司，中文名为钛碳化铝，英文名为：Titaniumaluminumcarbide，产品编号：2203009，CAS：196506-01-1；本专利技术步骤二中所述的硫纳米球购买自北京德科岛金科技有限公司，含量为99.9％，平均粒径为50nm，比表面积为20m2/g，颗粒形状为球形，外观为浅黄色，松装密度为1.1g/cm3，真实密度为2.1g/cm3。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术制备的二维层状碳化钛纳米片仅有几个原子层厚，使用少层片状二维碳化钛与单质硫复合，与已报道的手风琴状碳化钛和单质硫复合相比，主要具有两点优势：一是操作的安全性更高，制备手风琴状碳化钛使用的酸类前驱物是氢氟酸，而本专利技术中制备二维层状碳化钛纳米片使用的酸类前驱物是盐酸；众所周知，氢氟酸的腐蚀性远强于盐酸，例如玻璃等很多不溶于盐酸的物质都易溶于氢氟酸。所以使用二维层状碳化钛纳米片与单质硫复合不存在氢氟酸存放的安全性以及氢氟酸对操作人员造成严重伤害等隐患。虽然二维层状碳化钛纳米片的制备过程中也产生氢氟酸，但是其只是中间产物，随之产生也就随之反应消耗掉；二是对单质硫的吸附和包覆性更好，对于片状二维碳化钛而言，片与片之间的空间是完全开放的，通过超声和磁力搅拌的辅助，单本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法，其特征在于一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法具体是按以下步骤完成的：一、制备二维层状碳化钛纳米片：①、将氟化锂加入到浓度为6mol/L～12mol/L的盐酸中，再在搅拌速度为300r/min～500r/min下磁力搅拌5min～10min，得到溶液A；步骤一①中所述的氟化锂的质量与浓度为6mol/L～12mol/L的盐酸的体积比为(1g～3g):20mL；②、在冰水浴和搅拌速度为200r/min～1000r/min的条件下，分3次～15次向溶液A中加入Ti3AlC2粉末，搅拌至Ti3AlC2粉末均匀分散到溶液A中，然后在温度为30℃～50℃、搅拌速度为100r/min～500r/min条件下磁力搅拌24h～72h，得到溶液B；步骤一②中所述的Ti3AlC2粉末的质量与溶液A的体积比为(1g～3g):20mL；③、将溶液B在离心速度为6000r/min～8000r/min下离心3min～5min，去除上清液，得到沉淀物C；首先以去离子水为清洗剂，将沉淀物C均匀分散到去离子水中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对沉淀物C离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到去离子水清洗的沉淀物；以浓度为1mol/L的盐酸为清洗剂，将去离子水清洗的沉淀物均匀分散到浓度为1mol/L的盐酸中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对去离子水清洗的沉淀物离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到盐酸清洗的沉淀物；以氯化锂溶液为清洗剂，将盐酸清洗的沉淀物均匀分散到氯化锂溶液中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对盐酸清洗的沉淀物离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到沉淀物D；步骤一③中所述的氯化锂溶液中氯化锂的质量与去离子水的体积比为(4g～5g):100mL；④、以去离子水为清洗剂，将沉淀物D均匀分散到去离子水中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对沉淀物D清洗n次，每次清洗时间为3min～5min，直至无色透明的上清液变为悬浊液，再在离心速度为5000r/min下离心3min～5min，收集悬浊液，即为二维层状碳化钛纳米片悬浊液E；步骤一④中所述的n的取值范围为n≥1；步骤一④中所述的二维层状碳化钛纳米片悬浊液E中二维层状碳化钛纳米片的质量与去离子水的体积比为(50mg～200mg):100mL；二、复合：①、将硫纳米球在去离子水中超声分散20min～40min，再在搅拌速度为100r/min～500r/min下磁力搅拌1h～3h，得到溶液F；步骤二①中所述的硫纳米球的质量与去离子水的体积比为(100mg～300mg):(30mL～50mL)；②、将溶液F和二维层状碳化钛纳米片悬浊液E混合，再在搅拌速度为100r/min～500r/min下磁力搅拌0.5h～1.5h，得到溶液G；步骤二②中所述的溶液F与二维层状碳化钛纳米片悬浊液E的体积比为(30～50):(110～130)；③、将溶液G进行真空抽滤，得到固体物质，再将固体物质在温度为30℃～50℃下真空干燥6h～24h，即为一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料。...
【技术特征摘要】
1.一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法，其特征在于一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法具体是按以下步骤完成的：一、制备二维层状碳化钛纳米片：①、将氟化锂加入到浓度为6mol/L～12mol/L的盐酸中，再在搅拌速度为300r/min～500r/min下磁力搅拌5min～10min，得到溶液A；步骤一①中所述的氟化锂的质量与浓度为6mol/L～12mol/L的盐酸的体积比为(1g～3g):20mL；②、在冰水浴和搅拌速度为200r/min～1000r/min的条件下，分3次～15次向溶液A中加入Ti3AlC2粉末，搅拌至Ti3AlC2粉末均匀分散到溶液A中，然后在温度为30℃～50℃、搅拌速度为100r/min～500r/min条件下磁力搅拌24h～72h，得到溶液B；步骤一②中所述的Ti3AlC2粉末的质量与溶液A的体积比为(1g～3g):20mL；③、将溶液B在离心速度为6000r/min～8000r/min下离心3min～5min，去除上清液，得到沉淀物C；首先以去离子水为清洗剂，将沉淀物C均匀分散到去离子水中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对沉淀物C离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到去离子水清洗的沉淀物；以浓度为1mol/L的盐酸为清洗剂，将去离子水清洗的沉淀物均匀分散到浓度为1mol/L的盐酸中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对去离子水清洗的沉淀物离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到盐酸清洗的沉淀物；以氯化锂溶液为清洗剂，将盐酸清洗的沉淀物均匀分散到氯化锂溶液中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对盐酸清洗的沉淀物离心清洗1次～3次，每次离心时间为3min～5min，去除上清液，得到沉淀物D；步骤一③中所述的氯化锂溶液中氯化锂的质量与去离子水的体积比为(4g～5g):100mL；④、以去离子水为清洗剂，将沉淀物D均匀分散到去离子水中，再在离心速度为6000r/min～8000r/min下对沉淀物D清洗n次，每次清洗时间为3min～5min，直至无色透明的上清液变为悬浊液，再在离心速度为5000r/min下离心3min～5min，收集悬浊液，即为二维层状碳化钛纳米片悬浊液E；步骤一④中所述的n的取值范围为n≥1；步骤一④中所述的二维层状碳化钛纳米片悬浊液E中二维层状碳化钛纳米片的质量与去离子水的体积比为(50mg～200mg):100mL；二、复合：①、将硫纳米球在去离子水中超声分散20min～40min，再在搅拌速度为100r/min～500r/min下磁力搅拌1h～3h，得到溶液F；步骤二①中所述的硫纳米球的质量与去离子水的体积比为(100mg～300mg):(30mL～50mL)；②、将溶液F和二维层状碳化钛纳米片悬浊液E混合，再在搅拌速度...
【专利技术属性】
技术研发人员：武立立，张喜田，单新媛，金奇，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23
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