一种Na2Ti3O7‑C纳米纤维的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Na2Ti3O7‑C纳米纤维的制备方法。该制备方法基于水热反应，先将静电纺丝得到的TiO2/C纳米纤维前驱体在马弗炉中100～200℃预烧1～2h，再在管式炉中氩/氢气氛下550～700℃煅烧3～6h得到锐钛矿型TiO2/C纳米纤维，然后向其加入氢氧化钠溶液在高压反应釜中进行水热反应，得到Na2Ti3O7‑C纳米纤维前驱体，然后再在管式炉中氩气气氛下煅烧得到黑色Na2Ti3O7‑C纳米纤维。本发明专利技术制备的Na2Ti3O7‑C纳米纤维直径均匀，约为150～200nm，其作为钠离子电池负极材料具有优异的电化学性能。本发明专利技术的方法具有操作简单、条件温和、工艺简易、制备周期较短等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种Na2Ti3O7-C纳米纤维的制备方法
本专利技术涉及化学电源材料制备
，特别涉及一种Na2Ti3O7-C纳米纤维的制备方法，可用作钠离子电池负极材料。
技术介绍
在人类社会的发展史中，能源始终是推进其前进的动力。在当今社会工业飞速发展的同时，也导致了社会对能源的依赖度逐步增高。随着煤炭、石油、天然气等传统的化石能源逐渐枯竭，且在使用过程中会产生大量对环境不利的有害物质，严重的威胁着人类的健康和生命安全，因此新能源的开发迫在眉睫。在众多现有储能器件中，锂离子电池具有电压高、容量高、循环寿命长、自放电小且工作温度较为宽等一系列优点进而被广泛应用，这也导致了全球范围内对锂的需求大大增加，而锂元素储量有限(在地壳中锂资源只有0.002％)，且分布不均，这制约着锂离子电池的大规模研发。和锂资源对比，钠在全球的储量更为丰富(约占2.64％)，更为重要的是，钠元素和锂元素同处于一个主族，物理和化学性质较为相似。因此，发展钠离子电池，对于现代大规模储能应用电池来讲，是一个可行的且具有前景的战略方式。钛基材料具有化学性质稳定、无毒、成本低廉、安全性高等优点，被广泛认为是最适合锂离子电池与钠离子电池的负极材料之一。其中，Na2Ti3O7在钠离子电池中具有较低且安全的充放电平台(～0.3VvsNa+/Na)，在实际应用中既能保证电池具有较高的电压，又能阻止钠晶枝的生成，提高钠离子电池的安全性和实用价值，因而被广泛研究。但是纯的Na2Ti3O7又具有如钛基材料的导电性差、比容量低等一些通病。目前对Na2Ti3O7的研究主要是制备具有特殊形貌的纳米材料或与导电碳材料进行混合。鉴于以上问题，本专利技术以一种简单的溶剂热法制备Na2Ti3O7-C纳米纤维，且Na2Ti3O7-C纳米纤维具有大的比表面积，大大提高了其电子导电性。
技术实现思路
针对Na2Ti3O7导电性差、能量密度低的问题，本专利技术提供了一种Na2Ti3O7-C纳米纤维的制备方法。本专利技术的技术方案为：一种Na2Ti3O7-C纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：(1)将静电纺丝得到的TiO2/C纳米纤维前驱体先在马弗炉中100～200℃预烧1～2h，然后再在管式炉中氩/氢气氛下550～700℃煅烧3～6h；(2)将步骤(1)中所得的TiO2/C纳米纤维置于高压反应釜中；(3)向上述高压反应釜中加入氢氧化钠溶液，140～160℃下进行水热反应；(4)将步骤(3)所得片状物移出高压反应釜，分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤3～5次，干燥后得到Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体；(5)将步骤(4)所得的Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，即得到Na2Ti3O7-C纳米纤维。进一步地，步骤(1)的煅烧，氩/氢气氛的氢体积含量为5％，煅烧升温速率为3～5℃/min。进一步地，步骤(1)所得TiO2/C纳米纤维晶型为锐钛矿型。进一步地，步骤(1)所得TiO2/C纳米纤维中的碳质量含量或质量占比为39％。进一步地，TiO2/C纳米纤维与氢氧化钠的质量比为0.1～0.25：0.6～3.2。进一步地，步骤(3)中，氢氧化钠的浓度为1.5～4mol/L，水热反应的时间为6～10h。进一步地，步骤(4)的干燥为真空干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为4～6h。进一步地，步骤(5)的煅烧，温度为600～800℃，时间为3～6h，煅烧升温速率为3～5℃/min。值得说明的是，步骤(1)中通过特定温度和时间的预烧和煅烧，能够得到特定晶型即锐钛矿型的TiO2/C纤维，这种晶型得到的产品性能优良。本专利技术具有如下的技术效果：本专利技术制备工艺简单、操作方便，所得Na2Ti3O7-C纳米纤维是一种新颖、简单的电池负极材料。本专利技术制备的Na2Ti3O7-C纳米纤维有大的比表面积，具有优异的电化学性能。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的纳米纤维的扫描电镜图(放大倍数为9000倍)；图2为本专利技术实施例4制备的Na2Ti3O7-C纳米纤维的扫描电镜图(放大倍数为8000倍)；图3为本专利技术实施例4制备的Na2Ti3O7-C纳米纤维的X-射线衍射图；图4为本专利技术实施例4制备的Na2Ti3O7-C纳米纤维作为负极材料，钠片为对电极，组装成扣式电池。20～25℃下，在0.01～2.5V的电压范围内，不同电流密度0.5C、1C、2C、5C、10C、20C、30C、40C(1C＝177mAhg-1)下进行充放电测试的倍率性能图及库仑效率图；图5为本专利技术实施例4制备的Na2Ti3O7-C纳米纤维作为负极材料，钠片为对电极，组装成扣式电池。20～25℃下，在0.01～2.5V的电压范围内，5C(1C＝177mAhg-1)的电流密度下进行充放电测试的循环寿命及库仑效率图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于此。实施例1(1)将静电纺丝得到的TiO2/C纳米纤维前驱体先在马弗炉中200℃预烧2h，然后再在管式炉中氩/氢气氛(H2的体积分数为5％)下800℃煅烧3h，得到金红石型TiO2/C纳米纤维。(2)将步骤(1)中所得的金红石型TiO2/C纳米纤维0.1g置于70ml的高压反应釜中。(3)将10ml的1.5mol/L的氢氧化钠溶液加入上述高压反应釜中，140℃下水热反应6h。(4)将步骤(3)所得片状物移出高压反应釜，分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤3～5次，置于真空干燥箱中干燥。(5)将步骤(4)所得的纳米纤维前驱体置于管式炉中，在氩气气氛下600℃煅烧处理4h，升温速率为4℃/min，得到的产品并非Na2Ti3O7-C纳米纤维，具有根瘤状结构。实施例2(1)将静电纺丝得到的TiO2/C纳米纤维前驱体先在马弗炉中200℃预烧2h，然后再在管式炉中氩/氢气氛(H2的体积分数为5％)下550℃煅烧4h。(2)将步骤(1)中所得的锐钛矿型TiO2/C纳米纤维0.1g置于70ml的高压反应釜中。(3)将20ml的4mol/L的氢氧化钠溶液加入上述高压反应釜中，160℃下水热反应8h。(4)将步骤(3)所得片状物移出高压反应釜，分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤3～5次，置于真空干燥箱中干燥，得到Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体。(5)将步骤(4)所得的Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体置于管式炉中，在氩气气氛下600℃煅烧处理4h，升温速率为4℃/min，即得到Na2Ti3O7-C纳米纤维，纤维表面具有鳞状结构。实施例3(1)将静电纺丝得到的TiO2/C纳米纤维前驱体先在马弗炉中200℃预烧2h，然后再在管式炉中氩/氢气氛(H2的体积分数为5％)下700℃煅烧3h，得到锐钛矿型TiO2/C纳米纤维。(2)将步骤(1)中所得的锐钛矿型TiO2/C纳米纤维0.2g置于70ml的高压反应釜中。(3)将10ml1.5mol/L氢氧化钠溶液加入上述高压反应釜中，140℃下水热反应6h。(4)将步骤(3)所得片状物移出高压反应釜，分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤3次，置于真空干燥箱中干燥，得到Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体。(5)将步骤(4)所得的Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体置于管式炉中，在氩气气氛下600℃煅烧4h，升温速率为4℃/min，即得到Na2Ti3O7-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Na2Ti3O7‑C纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将静电纺丝得到的TiO2/C纳米纤维前驱体先在马弗炉中100～200℃预烧1～2h，然后再在管式炉中氩/氢气氛下550～700℃煅烧3～6h；(2)将步骤(1)中所得的TiO2/C纳米纤维置于高压反应釜中；(3)向上述高压反应釜中加入氢氧化钠溶液，140～160℃下进行水热反应；(4)将步骤(3)所得片状物移出高压反应釜，分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤3～5次，干燥后得到Na2Ti3O7‑C纳米纤维前驱体；(5)将步骤(4)所得的Na2Ti3O7‑C纳米纤维前驱体置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，即得到Na2Ti3O7‑C纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.一种Na2Ti3O7-C纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将静电纺丝得到的TiO2/C纳米纤维前驱体先在马弗炉中100～200℃预烧1～2h，然后再在管式炉中氩/氢气氛下550～700℃煅烧3～6h；(2)将步骤(1)中所得的TiO2/C纳米纤维置于高压反应釜中；(3)向上述高压反应釜中加入氢氧化钠溶液，140～160℃下进行水热反应；(4)将步骤(3)所得片状物移出高压反应釜，分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤3～5次，干燥后得到Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体；(5)将步骤(4)所得的Na2Ti3O7-C纳米纤维前驱体置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，即得到Na2Ti3O7-C纳米纤维。2.根据权利要求1所述的Na2Ti3O7-C纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)的煅烧，氩/氢气氛的氢体积含量为5％，煅烧升温速率为3～5℃/min。3.根据权利要求1所述的Na2Ti3O7-C纳米纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎，聂苏，李敏，刘珺芳，王先友，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43