一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于无机材料的制备领域，具体涉及一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法。该方法的具体步骤为：将氢氟酸和强氧化剂按一定比例混合，在冰水浴中搅拌并缓慢加入Ti3SiC2，待搅拌一段时间后撤除冰水浴，在一定温度下继续搅拌，经过洗涤干燥得到Ti3C2材料；将上述得到的Ti3C2材料置于反应釜中，水热之后，再经过洗涤干燥即可得到TiO2@Ti3C2电极材料。该方法制备得到的TiO2@Ti3C2电极材料具有二维层状结构，比表面积高，且可以通过控制油浴的温度和时间来控制刻蚀程度。本发明专利技术制备方法简单、易于操作、方便控制、重复性好。

【技术实现步骤摘要】
一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法
本专利技术属于无机材料的制备领域，具体涉及一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池作为一种重要的储能设备，以其能量密度大、无记忆效应、循环寿命长和环境友好等优点引起了人们的广泛兴趣。随着锂离子电池的飞速发展，其在手机、电脑、汽车等领域广泛应用，这也要求锂离子电池性能不断提高改进，锂离子电池负极材料的研究也被提出更高要求。二维材料具有独特的电学、光学和机械性能，而二维的金属碳化物或氮化物（MXenes）作为新型的二维材料，具有较高的机械强度、优良的导电性、多种可能的表面终端、亲水特性、高比表面积和容纳嵌入物的能力等，在储能领域拥有巨大潜力。以Ti3SiC2为前驱体，经过刻蚀Si原子层后可以得到层状Ti3C2。以Ti3C2为基底进行水热复合得到的二维层状TiO2@Ti3C2，不仅可以增加电解液和活性物质的有效接触面积，而且有利于电子传输，从而达到改善和提高材料性能的目的。此外，相对于Ti3AlC2前驱体，Ti3SiC2具有成本低、可以在商业上大量制备的优势，表现出更大的竞争力。同时在刻蚀过程中通过控制刻蚀的温度和时间，可以得到不同刻蚀程度的二维层状Ti3C2电极材料，从而满足不同的实际需求。因此，开发一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法在锂离子电池的应用中具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法，该制备方法简单、易于操作、方便控制、重复性好，通过改变条件可以获得不同刻蚀程度的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料，且比表面积高，用作锂离子电池电极材料时，表现出高的比容量，且具有优异的循环寿命。本专利技术提出的技术方案：一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法，其特征在于采用以下步骤：（1）将氢氟酸和强氧化剂按一定比例混合并搅拌均匀，氢氟酸和强氧化剂的体积比为4：1—25：1；（2）将步骤（1）得到的混合均匀溶液置于冰水浴中搅拌，缓慢加入适量Ti3SiC2，并在冰水浴中继续搅拌0.5—4h，随后移至油浴锅在40—80℃条件下继续搅拌20—50h；刻蚀反应结束后，经离心后分离出固体粉末，真空干燥后，即可得到Ti3C2；（3）取适量步骤（2）得到的Ti3C2，加入去离子水超声1h后，置于密封反应釜中，在200℃下水热24h；待冷却至室温，经离心后分离出固体粉末，真空干燥后即可得到二维层状TiO2@Ti3C2电极材料。优选地，步骤（1）中所述的强氧化剂为双氧水。优选地，步骤（1）中所述的氢氟酸和双氧水的体积比为50：7。优选地，步骤（2）中所述冰水浴中搅拌时间为1h。优选地，步骤（2）中所述的油浴温度为60℃，搅拌时间为48h。有益效果（1）本专利技术采用氢氟酸和双氧水混合刻蚀Ti3SiC2，并经过水热复合后制备了一种二维层状TiO2@Ti3C2电极材料。通过控制刻蚀温度、刻蚀时间来改善其微观结构与表面化学环境；（2）本专利技术制备方法工艺简单、易于操作，方便控制、重复性好，制备得到的TiO2@Ti3C2具有二维层状结构，比表面积高，用作锂离子电池电极材料时，表现出高的比容量，且具有优异的循环寿命。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的二维层状Ti3C2的扫描电子显微镜（SEM）照片。图2为本专利技术实施例1制备的二维层状TiO2@Ti3C2的扫描电子显微镜（SEM）照片。图3为本专利技术实施例1制备的二维层状TiO2@Ti3C2的X-射线衍射（XRD）图谱。图4为本专利技术实施例1制备的二维层状TiO2@Ti3C2电极的循环性能图。具体实施方式下面列举实施例对本专利技术进行说明，但本专利技术并不局限于这些实施例。实施例1将50mL氢氟酸和7mL双氧水混合搅拌均匀，在冰水浴中缓慢加入3gTi3SiC2粉末并搅拌1h，随后移至油浴锅在60℃继续搅拌48h，待反应结束后离心分离出Ti3C2粉末；称取0.3g制得的Ti3C2粉末，加入去离子水超声1h，随后置于密封反应釜中，在200℃的条件下水热24h，冷却至室温后，经离心洗涤后，在80℃下真空干燥24h，即可得到二维层状的TiO2@Ti3C2电极材料。将本专利技术制备的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料与乙炔黑和羧甲基纤维素钠（CMC）分别按照7:2:1的比例混合，滴加去离子水后分散研磨，研磨成均匀浆料后涂覆在铜箔上，烘干，压实。在高纯氩气(纯度大于99.99％)气氛的手套箱中组装成2025型扣式电池(H2O含量小于1ppm，O2含量小于3ppm)，其中金属锂片作为负极。图1为本实施例制备二维层状Ti3C2的SEM照片，从图中可以看出制备的Ti3C2为二维多层的结构，且形状均匀。图2为本实施例制备二维层状TiO2@Ti3C2的SEM照片，从图中可以看出经过水热之后在层间和表面上生长了一些小颗粒。X射线衍射图（图3）表明，本专利技术成功将Ti3SiC2刻蚀为Ti3C2，并且将其水热处理后，在Ti3C2上负载了TiO2。图4为本实施例制备的二维层状TiO2@Ti3C2电极的循环性能图，在电流密度为200mAg-1时，经过350圈循环后。放电比容量仍然可以保持在200mAhg-1左右，表现出了良好的循环性能，说明制备的二维层状MXenes电极材料在锂离子电池中具有很大的应用前景。实施例2将40mL氢氟酸和10mL双氧水混合搅拌均匀，在冰水浴中缓慢加入3gTi3SiC2粉末并搅拌0.5h，随后移至油浴锅在40℃继续搅拌50h，待反应结束后离心分离出Ti3C2粉末；称取0.3g制得的Ti3C2粉末，加入去离子水超声1h，随后置于密封反应釜中，在200℃的条件下水热24h，冷却至室温后，经离心洗涤后，在80℃下真空干燥24h，即可得到二维层状的TiO2@Ti3C2电极材料。实施例3将50mL氢氟酸和2mL双氧水混合搅拌均匀，在冰水浴中缓慢加入3gTi3SiC2粉末并搅拌4h，随后移至油浴锅在80℃继续搅拌20h，待反应结束后离心分离出Ti3C2粉末；称取0.3g制得的Ti3C2粉末，加入去离子水超声1h，随后置于密封反应釜中，在200℃的条件下水热24h，冷却至室温后，经离心洗涤后，在80℃下真空干燥24h，即可得到二维层状的TiO2@Ti3C2电极材料。实施例4将45mL氢氟酸和5mL双氧水混合搅拌均匀，在冰水浴中缓慢加入3gTi3SiC2粉末并搅拌1h，随后移至油浴锅在50℃继续搅拌40h，待反应结束后离心分离出Ti3C2粉末；称取0.3g制得的Ti3C2粉末，加入去离子水超声1h，随后置于密封反应釜中，在200℃的条件下水热24h，冷却至室温后，经离心洗涤后，在80℃下真空干燥24h，即可得到二维层状的TiO2@Ti3C2电极材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法，其特征在于采用以下步骤：（1）将氢氟酸和强氧化剂按一定比例混合并搅拌均匀，氢氟酸和强氧化剂的体积比为4：1—25：1；（2）将步骤（1）得到的混合均匀溶液置于冰水浴中搅拌，缓慢加入适量Ti3SiC2，并在冰水浴中继续搅拌0.5—4h，随后移至油浴锅在40—80℃条件继续搅拌20—50h；刻蚀反应结束后，经离心后分离出固体粉末，真空干燥后，即可得到Ti3C2；（3）取适量步骤（2）得到的Ti3C2，加入去离子水超声1h后，置于密封反应釜中，在200℃下水热24h；待冷却至室温，经离心后分离出固体粉末，真空干燥后即可得到二维层状TiO2@Ti3C2电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种可控的二维层状TiO2@Ti3C2电极材料及其制备方法，其特征在于采用以下步骤：（1）将氢氟酸和强氧化剂按一定比例混合并搅拌均匀，氢氟酸和强氧化剂的体积比为4：1—25：1；（2）将步骤（1）得到的混合均匀溶液置于冰水浴中搅拌，缓慢加入适量Ti3SiC2，并在冰水浴中继续搅拌0.5—4h，随后移至油浴锅在40—80℃条件继续搅拌20—50h；刻蚀反应结束后，经离心后分离出固体粉末，真空干燥后，即可得到Ti3C2；（3）取适量步骤（2）得到的Ti3C2，加入去离子水超声1h后，置于密封反应釜中，在200℃下水热24h；待冷却至室温，经离心后分离出固体粉末，真空干燥后即可得到二维层...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽，姜高学，谢政军，曹丙强，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37