碳包封氮氧钛纳米颗粒复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及碳包封氮氧钛纳米颗粒复合材料及其制备方法和应用，属于材料技术领域，该方法以MXene纳米片和含氮有机物为原料，通过高温固相法制得TiOxNy/C复合材料，该复合物中TiOxNy纳米颗粒均匀分散在碳基中，形成一种碳包封结构。通过碳包封可以有效阻止TiOxNy纳米颗粒在制备过程中的团聚，并且当将该复合物用作锂离子电池和/或钾离子电池的负极材料时，碳包封还可以有效阻止TiOxNy纳米颗粒在电化学循环过程中的团聚，进而使锂离子电池和/或钾离子电池具有良好的倍率性能和极好的循环性能。以该方法制备的TiOxNy/C复合材料拓宽了MXene在储能上的应用。

Carbon-encapsulated Titanium Nitroxide Nanoparticle Composites and Their Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
碳包封氮氧钛纳米颗粒复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于材料
，具体涉及碳包封氮氧钛纳米颗粒(TiOxNy/C)复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着全球环境污染和能源危机的日益加剧，毋庸置疑，21世纪人类的首要任务是发展新一代绿色可再生能源从而取代目前的能源供应体系，由于电池转换效率高，循环寿命长，是合适的储能系统。第一主族的碱金属锂、钠和钾的相对电势分别为-3.04、-2.71和-2.93V，相对于其它金属而言较低，如Mg(-2.37V)以及Al(-1.66V)，因而目前研究者最关注的离子电池主要有锂、钠和钾离子电池。钛基材料在电池的应用已有过一些报道，如Na2Ti3O7作为阳极材料应用于钠离子电池中，K2Ti4O9作为阳极材料应用在钾离子电池中。而二维材料界的新成员过渡金属碳化物、氮化物、碳氮化物(MXene)，因其拥有良好的导电性、独特的金属离子吸附特性和较低的平台电压而引起了广泛关注。它们的一般式写成Mn+1XnTx(n＝1～3)，M代表我们常见的过渡金属，X代表碳或氮，Tx代表表面基(-OH,-F,-O)。但令人遗憾的是其较低的理论容量限制了它在储能应用上的进一步发展，如Ti3C2Tx在锂离子电池的应用中其理论比容量才达到320mAh/g，为解决其容量低的问题，一般的措施是将其与一些容量高的物质进行复合以提高MXene的储能能力。近年，也有研究者将Ti3C2通过一步氧化法制备MXene衍生物NaTi1.5O8.3和K2Ti4O9，并将其应用在钠、钾离子电池中。因此，需要探究更多的MXene衍生物来拓宽MXene在储能上的应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供TiOxNy/C复合材料的制备方法；目的之二在于提供TiOxNy/C复合材料；目的之三在于提供TiOxNy/C复合材料作为储能材料的应用。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：1、TiOxNy/C复合材料的制备方法，所述方法如下：向有机溶液中加入含氮有机物后再加入MXene纳米片分散液，搅拌后进行固液分离，取固相经洗涤、干燥后获得前驱体，然后将所述前驱体在惰性气体中进行热处理，制得TiOxNy/C复合材料，x+y＝1，0≤x≤1，0≤y≤1。优选的，所述有机溶液为甲醇。优选的，所述MXene纳米片与含氮有机物的质量比为1:1-1:6。优选的，所述含氮有机物为三聚氰胺、尿素或缩二脲中的一种或几种。优选的，所述搅拌的时间为5-12h；所述干燥具体为在60-80℃下干燥12h。优选的，所述固液分离通过抽滤实现。优选的，所述惰性气体为氩气。优选的，所述热处理具体为先以1-10℃/min的速率升温至400-600℃下保温2-6h，再以1-10℃/min的速率升温至700-1000℃后保温2-6h。优选的，所述MXene纳米片的制备方法如下：首先以氟化锂和盐酸混合溶液刻蚀MAX相材料中的A金属原子层制备二维层状纳米材料MXene，然后将所述二维层状纳米材料MXene分散于水中，超声后离心，取上层溶液，得到MXene纳米片分散液。优选的，所述二维层状纳米材料MXene的具体制备方法如下：将MAX相材料以0.05g/mL的配比浓度加入1.6g氟化锂和20mL9M盐酸的混合溶液中，在25-50℃下搅拌24-36h，然后进行固液分离得固体产物，将所述固体产物洗涤至pH为6-7。优选的，所述MAX相材料为Ti3AlC2。优选的，所述超声具体为在功率为360W，频率为40kHz的条件下超声2-8h；所述离心具体以3500-5000r/min的速率离心30-60min。2、所述的方法制备的TiOxNy/C复合材料。3、所述的TiOxNy/C复合材料作为储能材料的应用。优选的，所述储能材料为锂离子电池和/或钾离子电池的负极材料。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了碳包封氮氧钛纳米颗粒(TiOxNy/C)复合材料及其制备方法和应用，该方法以MXene纳米片和含氮有机物为原料，通过高温固相法制得TiOxNy/C复合材料，该复合物中TiOxNy纳米颗粒均匀分散在碳基中，形成一种碳包封结构。通过碳包封可以有效阻止TiOxNy纳米颗粒在制备过程中的团聚，并且当将该复合物用作锂离子电池和/或钾离子电池的负极材料时，碳包封还可以有效阻止TiOxNy纳米颗粒在电化学循环过程中的团聚，进而使锂离子电池和/或钾离子电池具有良好的倍率性能和极好的循环性能。以该方法制备的TiOxNy/C复合材料拓宽了MXene在储能上的应用。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为实施例1步骤(1)中制备的MXene纳米片的透射电镜图；图2为实施例1中制备的TiOxNy/C复合材料的场发射扫描电镜图和透射扫描电镜图(图2中a为场发射扫描电镜图，图2中b为透射扫描电镜图)；图3为实施例1中制备的MXene纳米片、前驱体和TiOxNy/C复合材料的X射线衍射图；图4为实施例4中锂离子纽扣电池电化学性能测试图(图4中a为锂离子纽扣电池倍率性能图，图4中b为锂离子纽扣电池循环性能图)；图5为实施例4中钾离子纽扣电池电化学性能测试图(图5中a为钾离子纽扣电池倍率性能图，图5中b为钾离子纽扣电池循环性能图)。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。实施例1制备TiOxNy/C复合材料(1)将Ti3AlC2材料以0.05g/mL的配比浓度加入1.6g氟化锂和20mL9M盐酸的混合溶液中，在35℃下搅拌24h，然后进行固液分离得固体产物，将该固体产物用二次水以10000r/min的速度离心洗涤6-9遍至pH为6，制得二维层状纳米材料MXene，然后将二维层状纳米材料MXene分散于二次水中，在功率为360W，频率为40kHz的条件下超声2h后，以3500r/min的速率离心30min，取上层溶液，得到MXene纳米片分散液；(2)向甲醇中加入三聚氰胺后再加入步骤(1)中制备的MXene纳米片分散液，使MXene纳米片与含氮有机物的质量比为1:5，搅拌12h后，进行抽滤，并以甲醇为清洗液进行洗涤后在60℃下干燥12h后获得前驱体，然后将该前驱体在氩气中，先以5℃/min的速率升温至600℃下保温2h，再以5℃/min的速率升温至800℃后保温2h，制得TiOxNy/C复合材料，x+y＝1，0≤x≤1，0≤y≤1。实施例2制备TiOxNy/C复合材料(1)将Ti3AlC2材料以0.05g/mL的配比浓度加入1.6g氟化锂和20mL9M盐酸的混合溶液中，在50℃下搅拌36h，然后进行固液分离得固体产物，将该固体产物用二次水以10000r/min的速度离心洗涤6-9遍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.TiOxNy/C复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法如下：向有机溶液中加入含氮有机物后再加入MXene纳米片分散液，搅拌后进行固液分离，取固相经洗涤、干燥后获得前驱体，然后将所述前驱体在惰性气体中进行热处理，制得TiOxNy/C复合材料，x+y＝1，0≤x≤1，0≤y≤1。

【技术特征摘要】
1.TiOxNy/C复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法如下：向有机溶液中加入含氮有机物后再加入MXene纳米片分散液，搅拌后进行固液分离，取固相经洗涤、干燥后获得前驱体，然后将所述前驱体在惰性气体中进行热处理，制得TiOxNy/C复合材料，x+y＝1，0≤x≤1，0≤y≤1。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机溶液为甲醇。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MXene纳米片与含氮有机物的质量比为1:1-1:6。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含氮有机物为三聚氰胺、尿素或缩二脲中的一种或几种。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搅拌的时间为5-12h；所述干燥具体为在60-80℃下干燥12h。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理具体为先以1-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐茂文，陶梦丽，杜光远，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50