一种多孔氮化钛微球及其制备方法与在锂硫电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔氮化钛微球及其制备方法与在锂硫电池中的应用；该方法主要是以二氧化钛为钛源，以双氰胺或三聚氰胺为氮源，以纳米二氧化硅为造孔剂，采用喷雾干燥法结合高温热处理制备具有高比表面积、大孔体积的多孔氮化钛微球。该制备方法工艺简单、容易控制、环境污染小、适合大规模生产，制备的多孔氮化钛形貌均匀，结构稳定。用于锂硫电池中作为硫固定材料，该微球高的比表面积、大的孔体积可以保证充足硫的嵌入，良好的导电性可增强电极中电子/离子转移效率；高的极性提供了对多硫化物强的固定能力；该多孔氮化钛/硫正极展示出高的比容量、出色的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔氮化钛微球及其制备方法与在锂硫电池中的应用
本专利技术属于微纳米材料科学和电池能源
，具体涉及一种多孔氮化钛微球及其制备方法与在锂硫电池中的应用。
技术介绍
多孔材料具有大比表面积、大孔容、渗透性好等优点，在吸附分离、催化、超级电容器和锂离子电池等领域具有广泛的应用。其中，多孔氮化钛(TiN)由于其好的导电性、强的极性，被认为是一种理想的硫固定材料，在锂硫电池中具有较好的应用前景。好的导电性可以加速电极中电子的转移，提升整个电极的电化学反应动力学过程；多孔的结构不仅可以保证充足活性硫的嵌入，而且能够有利于电解液的浸润；强的极性可以对多硫化物提供强的化学吸附，抑制穿梭效应，进而提高电池的循环稳定性。然而现有的制备多孔氮化钛的方法还存在一些缺点及不足，制备方法一般采用水热法或溶剂热法，而且制备过程中往往需要通入氨气实现二氧化钛到氮化钛的转变，这些方法持续时间长、难以大规模生产，环境污染较大；且制备的氮化钛比表面积、孔体积较低。本申请利用简单的喷雾干燥法，用双模板制备了大比表面积、大孔容的多孔氮化钛微球。应用于锂硫电池中，高的比表面积、大的孔体积可以保证充足硫的嵌入；良好的导电性增强了电极的电子/离子转移效率；高的极性提供了对多硫化物强的固定能力；最终，TiN/S正极展示出高的比容量、出色的循环稳定性。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的不足，本专利技术提供一种多孔氮化钛微球及其制备方法与应用，该制备方法获得的多孔氮化钛具有高比表面积、大孔体积及良好的导电性，可以应用于锂硫电池中。本专利技术的技术方案如下：一种多孔氮化钛微球的制备方法，包括以下步骤：S1，将纳米二氧化钛、二氧化硅气凝胶加入到含有表面活性剂的水溶液中，超声分散1h；再加入氮源和糖类，继续搅拌30min，得到均一的溶液，所述的氮源为双氰胺或三聚氰胺，所述的糖类为葡萄糖或蔗糖；S2，将S1中的溶液转移至喷雾干燥机中干燥，设置喷雾干燥机的进风口温度为220-300℃，出风口温度为90-140℃；得到干燥的粉体；S3，将S2中得到的粉体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800-900℃，保温2h，自然冷却至室温，得到SiO2@TiN复合微球；S4，将S3中得到的复合微球加入到20wt％的氢氧化钠溶液中，搅拌6h，去除二氧化硅模板，得到多孔TiN微球。上述技术方案中，步骤S1中所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。步骤S1中所述的氮源与纳米二氧化钛的摩尔比优选为1-2。步骤S2中喷雾干燥机的进风口温度优选为220℃，风机频率优选为50HZ，物料进样速率优选为400mL/h。采用上述方法制得的多孔氮化钛微球，其比表面积高达964m2g-1,孔体积高达2.67cm3g-1。该微球可以作为硫固定材料用于锂硫电池正极。与现有技术相比，本专利技术制备的多孔碳化钛微球具有以下优势：1)本专利技术中利用双氰胺或三聚氰胺作为氮源，其可以在加热过程中直接提供还原性气氛，将二氧化钛原位转换成氮化钛；避免了现有方法中大量氨气的使用；2)本专利技术中利用纳米二氧化硅气凝胶、双氰胺或三聚氰胺作为双模板，制备的氮化钛微球具有大比表面积、大孔容的特点；3)本专利技术制得的氮化钛良好的导电性提升了电极中电子、离子转移效率，增强了电池高倍率下的性能表现；纳米孔的限域和极性氮化钛的化学吸附对多硫化物提供了强有力的固定作用，将多硫化物有效的限制在微球内部，实现了电池高的长循环稳定性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1所制备的多孔氮化钛的扫描电镜图，(a)低倍，(b)高倍；图2为本专利技术实施例1所制备的多孔氮化钛的XRD图谱；图3为本专利技术实施例1所制备的多孔氮化钛的氮气吸附-脱附等温线，内置图为孔径分布图；图4为本专利技术实施例1所制备的多孔氮化钛用作锂硫电池电极材料时不同电流密度下的容量-电压曲线图；图5为本专利技术实施例1所制备的多孔氮化钛用作锂硫电池电极材料的循环性能曲线图。具体实施方式实施例1多孔氮化钛微球的制备S1，将4g纳米二氧化钛、2g二氧化硅气凝胶、1.62g的PVP加入到400ml的去离子水中，超声分散1h；再加入8g双氰胺及2g蔗糖，搅拌30min，得到均一的溶液；S2，将S1中的溶液转移至喷雾干燥机中干燥，设置喷雾干燥机的进风口温度为220℃，出风口温度为100℃；得到前驱体粉体；S3，将S2中得到的粉体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h，自然冷却至室温得到SiO2@TiN复合微球；S4，将S3中得到的复合物微球加入到20wt％的氢氧化钠溶液中，搅拌6h，去除二氧化硅模板，得到多孔TiN微球。图1为制备的多孔碳化钛的SEM形貌图，氮化钛表现出微米级的球形结构；图2为制备的多孔碳化钛的XRD图谱，表明制备的微球主要成分为氮化钛，并含有少量的碳；图3为制备的多孔碳化钛的BET曲线，展示出了氮化钛高的比表面积(964m2g-1)及高的孔体积(2.67cm3g-1)。实施例2多孔氮化钛微球的制备S1，将4g纳米二氧化钛、2g二氧化硅气凝胶、1.62g的PVP加入到400ml的去离子水中，超声分散1h；再加入8g双氰胺及2g蔗糖，搅拌30min，得到均一的溶液；S2，将S1中的溶液转移至喷雾干燥机中干燥，设置喷雾干燥机的进风口温度为220℃，出风口温度为100℃；得到前驱体粉体；S3，将S2中得到的粉体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至900℃，保温2h，自然冷却至室温得到SiO2@TiN复合微球；S4，将S3中得到的复合物微球加入到20wt％的氢氧化钠溶液中，搅拌6h，去除二氧化硅模板，得到多孔TiN微球。实施例3多孔氮化钛微球的制备S1，将4g纳米二氧化钛、2g二氧化硅气凝胶、1.62g的PVP加入到400ml的去离子水中，超声分散1h；再加入8g双氰胺及2g葡萄糖，搅拌30min，得到均一的溶液；S2，将S1中的溶液转移至喷雾干燥机中干燥，设置喷雾干燥机的进风口温度为220℃，出风口温度为100℃；得到前驱体粉体；S3，将S2中得到的粉体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h，自然冷却至室温得到SiO2@TiN复合微球；S4，将S3中得到的复合物微球加入到20wt％的氢氧化钠溶液中，搅拌6h，去除二氧化硅模板，得到多孔TiN微球。实施例4多孔氮化钛微球的制备S1，将4g纳米二氧化钛、2g二氧化硅气凝胶、1.62g的PVP加入到400ml的去离子水中，超声分散1h；再加入6g三聚氰胺及1g蔗糖，60℃下加热搅拌30min，得到均一的溶液；S2，将S1中的溶液转移至喷雾干燥机中干燥，设置喷雾干燥机的进风口温度为220℃，出风口温度为100℃；得到前驱体粉体；S3，将S2中得到的粉体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h，自然冷却至室温得到SiO2@TiN复合微球；S4，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔氮化钛微球的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：S1，将纳米二氧化钛、二氧化硅气凝胶加入到含有表面活性剂的水溶液中，超声分散1h；再加入氮源和糖类，继续搅拌30min，得到均一的溶液，所述的氮源为双氰胺或三聚氰胺，所述的糖类为葡萄糖或蔗糖；S2，将S1中的溶液转移至喷雾干燥机中干燥，设置喷雾干燥机的进风口温度为220‑300℃，出风口温度为90‑140℃；得到干燥的粉体；S3，将S2中得到的粉体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800‑900℃，保温2h，自然冷却至室温，得到SiO2@TiN复合微球；S4，将S3中得到的复合微球加入到20wt％的氢氧化钠溶液中，搅拌6h，去除二氧化硅模板，得到多孔TiN微球。

【技术特征摘要】
1.一种多孔氮化钛微球的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：S1，将纳米二氧化钛、二氧化硅气凝胶加入到含有表面活性剂的水溶液中，超声分散1h；再加入氮源和糖类，继续搅拌30min，得到均一的溶液，所述的氮源为双氰胺或三聚氰胺，所述的糖类为葡萄糖或蔗糖；S2，将S1中的溶液转移至喷雾干燥机中干燥，设置喷雾干燥机的进风口温度为220-300℃，出风口温度为90-140℃；得到干燥的粉体；S3，将S2中得到的粉体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升温至800-900℃，保温2h，自然冷却至室温，得到SiO2@TiN复合微球；S4，将S3中得到的复合微球加入到20wt％的氢氧化钠溶液中，搅拌6h，去除二氧化硅模板，得到多孔TiN微球。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩伟强，汪建立，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33