本发明专利技术属于锂离子电池纳米材料的技术领域，具体涉及一种石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备方法及其应用。通过简单的溶胶凝胶法，将石墨烯量子点原位嵌入到多孔二氧化钛中，在惰性气氛中煅烧，部分四价的钛离子被还原为三价的钛离子，提高了材料的导电性并增加了材料的嵌锂位点。同时，三维分等级结构有助于缩短锂离子和电子的传输路径。本发明专利技术所制备的二氧化钛/石墨烯量子点复合材料作为锂离子电池负极材料具有很高的比容量和循环稳定性，在电流密度为5 C(1C=168 mAh/g)时容量能达到稳定在168.5 mAh/g，即使在10 C的大电流密度下，循环500圈后容量依然能达到160.8 mAh/g。
【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备及应用
本专利技术属于锂离子电池纳米材料的
，具体涉及一种石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备方法及其应用。
技术介绍
二氧化钛由于其化学结构稳定、无毒且价格低廉，被广泛应用于太阳能转化、催化等领域。同时，它具有独特的开放式的晶体结构，可以为锂离子的嵌入/脱出提供通道，是一类具有重要潜在应用价值的电极材料。但是，二氧化钛属于半导体材料，电子电导率和离子电导率较低，因此其高的理论比容量难以得到充分发挥，从而限制了其大规模的应用。为解决此问题，常用的方法包括构建多维纳米结构材料；复合导电性良好的材料，比如石墨烯、介孔碳等；以及掺杂金属、非金属元素，包括碳、氮、硫等。这些方法都被证明能够大大提高材料的电化学性能。目前还未有利用石墨烯量子点嵌入分等级二氧化钛多孔结构提高材料导电性的相关专利报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备及其应用。本专利技术制备方法工艺简单，成本廉价，能耗低，重现性好，性能优异。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：所述石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备方法是：（1）将0.1-1克2-甲基咪唑和0.1-1克硝酸锌分别完全溶解在10-40mL甲醇溶液后，将两溶液混合静置老化10-40小时后，经甲醇洗涤数遍后在70℃烘干得到白色粉末，进一步在400-1000℃煅烧2-8小时得到黑色粉末(ZIF-8C)；（2）取0.1-1克的ZIF-8C添加到含有1-5mL硝酸的聚四氟乙烯内衬中，在100-180℃反应2-8小时后，用20-800mL的去离子水洗涤后即得石墨烯量子点(GQDs)溶液。（3）取1-10mL石墨烯量子点溶液添加到20-80mL的0.1-3摩尔的四氯化钛溶液中，超声30分钟后转移到100mL的血清瓶中，在20-100℃环境下磁力搅拌10-40小时，自然冷却后所得白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70℃干燥12小时即可得到石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛纳米材料。锂离子电池组装：按质量比计，TiO2-x/GQDs纳米复合物：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝70：20：10，将各组分混合研磨后均匀地涂在铜箔上做负极，参比电极和对电极均为金属锂，电解质由1.0MLiPF6的PC+EC+5%FEC(PC/EC=1/1v/v)溶液。所有组装均在手套箱里进行。本专利技术的显著优点在于：本专利技术成功设计合成了石墨烯量子点嵌入分等级结构二氧化钛多孔材料。通过简单的溶胶凝胶法，将石墨烯量子点原位嵌入到多孔二氧化钛中，在惰性气氛中煅烧，部分四价的钛离子被还原为三价的钛离子，提高了材料的导电性并增加了材料的嵌锂位点。同时，三维分等级结构有助于缩短锂离子和电子的传输路径。所制备的二氧化钛/石墨烯量子点复合材料作为锂离子电池负极材料具有很高的比容量和循环稳定性，在电流密度为5C(1C=168mAh/g)时容量能达到稳定在168.5mAh/g，即使在10C的大电流密度下，循环500圈后容量依然能达到160.8mAh/g。附图说明图1TiO2-x/GQDs的XRD谱图；图2GQDs的扫描电镜图；图3TiO2-x/GQDs的透射电镜图及选区电子衍射图；图4TiO2-x/GQDs的电化学性能图。具体实施方式为进一步公开而不是限制本专利技术，以下结合实例对本专利技术作进一步的详细说明。实施例1所述石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备方法是：（1）将0.1-1克2-甲基咪唑和0.1-1克硝酸锌分别完全溶解在10-40mL甲醇溶液后，将两溶液混合静置老化10-40小时后，经甲醇洗涤数遍后在70℃烘干得到白色粉末，进一步在400-1000℃煅烧2-8小时得到黑色粉末(ZIF-8C)；（2）取0.1-1克的ZIF-8C添加到含有1-5mL硝酸的聚四氟乙烯内衬中，在100-180℃反应2-8小时后，用20-800mL的去离子水洗涤后即得石墨烯量子点(GQDs)溶液。（3）取1-10mL石墨烯量子点溶液添加到20-80mL的0.1-3摩尔的四氯化钛溶液中，超声30分钟后转移到100mL的血清瓶中，在20-100℃环境下磁力搅拌10-40小时，自然冷却后所得白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70℃干燥12小时即可得到石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛纳米材料。锂离子电池组装：按质量比计，TiO2-x/GQDs纳米复合物：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝70：20：10，将各组分混合研磨后均匀地涂在铜箔上做负极，参比电极和对电极均为金属锂，电解质由1.0MLiPF6的PC+EC+5%FEC(PC/EC=1/1v/v)溶液。所有组装均在手套箱里进行。图1为石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料(TiO2-x/GQDs)的XRD谱图，其衍射峰归属为四方相的金红石TiO2(JCPDS卡号:76-0318)。谱图展现出纯相的金红石TiO2材料，并没有明显的石墨烯量子点的峰，这是因为量子点的含量低而没有被检测出来。图2为石墨烯量子点的透射电镜图，从图中可以看出来石墨烯量子点分布均匀，并且粒子的平均尺寸约3纳米。图3是TiO2-x/GQDs的透射电镜图，其展现出由纳米棒组成的花状结构形貌，从高倍率的透射电镜图可以进一步看出来，由纳米棒组成的花状结构具有明显的堆积孔。通过溶胶凝胶过程中，石墨烯量子点原位嵌入到多孔结构中，当该复合物进一步在惰性气氛中煅烧，由于石墨烯量子点表面具有众多含氧官能团，在TiO2表面部分四价钛被还原为三价钛，并形成大量的氧空位。形成的三价钛自掺杂的复合材料，大大增强了材料的导电性能。将TiO2-x/GQDs作为锂离子电池负极材料。从图4中倍率性能可以到，随着电流密度的增加，相对于纯TiO2，TiO2-x/GQDs容量降低缓慢，在电流密度为0.5、1、2、5、10和15C,分别得到容量为227,198.1,185.8,169,155.3和144.6mAh/g，该性能比纯TiO2具有较大的提升。进一步将电流密度返回到1C,其依然能得到193.4mAh/g的容量，并且循环非常稳定。这种材料性能的提升可归因于石墨烯量子点的引入增大了材料的比表面积，大大增加了材料表面与电解液的接触面积；同时，由石墨烯量子点还原得到的三价钛离子增强了材料的导电性，改变了材料的表面结构，提供了更多的嵌锂位点。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例，凡依本专利技术申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利技术的涵盖范围。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤（1）将0.1‑1克2‑甲基咪唑和0.1‑1克硝酸锌分别完全溶解在10‑40 mL甲醇溶液后，将两溶液混合静置老化10‑40小时后，经甲醇洗涤数遍后在70℃烘干得到白色粉末，进一步在400‑1000℃煅烧2‑8小时得到黑色粉末ZIF‑8C；（2）取0.1‑1克的ZIF‑8C添加到含有1‑5 mL硝酸的聚四氟乙烯内衬中，在100‑180℃反应2‑8小时后，用20‑800 mL的去离子水洗涤后即得石墨烯量子点GQDs溶液；（3）取1‑10 mL石墨烯量子点GQDs溶液添加到20‑80 mL的0.1‑3摩尔的四氯化钛溶液中，超声30分钟后转移到100 mL的血清瓶中，在20‑100℃环境下磁力搅拌10‑40小时，自然冷却后所得白色沉淀物经去离子水洗涤数遍后离心分离出来，然后在空气中70℃干燥12小时即可得到石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛TiO2‑x/GQDs纳米材料。
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯量子点嵌入多孔二氧化钛材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤（1）将0.1-1克2-甲基咪唑和0.1-1克硝酸锌分别完全溶解在10-40mL甲醇溶液后，将两溶液混合静置老化10-40小时后，经甲醇洗涤数遍后在70℃烘干得到白色粉末，进一步在400-1000℃煅烧2-8小时得到黑色粉末ZIF-8C；（2）取0.1-1克的ZIF-8C添加到含有1-5mL硝酸的聚四氟乙烯内衬中，在100-180℃反应2-8小时后，用20-800mL的去离子水洗涤后即得石墨烯量子点GQDs溶液；（3）取1-10mL石墨烯量子点GQDs溶液添加到20-80mL的0.1-3摩尔的四氯化钛溶液中，超声...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏明灯，张伟峰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35
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