一种碳包覆介孔双相二氧化钛及其制备方法与储能应用技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆介孔双相二氧化钛及其制备方法与储能应用，是首先制备钛酸纳米带作为二氧化钛前驱体，然后将二氧化钛前驱体浸泡在乙二醇中，通过高温煅烧获得碳包覆介孔双相二氧化钛。本发明专利技术合成的材料具有丰富的介孔结构、B相和锐钛矿相双晶体结构、大的比表面积，三者优势结合，大大缩短了锂离子与电子的传输距离，提高材料的离子扩散速率以及导电性，应用于锂离子电池负极材料时展现出优异的比容量以及倍率性能，是一种理想的电极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆介孔双相二氧化钛及其制备方法与储能应用
本专利技术属于功能材料制备领域，具体涉及一种碳包覆介孔双相二氧化钛及其制备方法与储能应用。
技术介绍
在过渡金属氧化物中，纳米结构的二氧化钛因其优异的物理化学性质、丰富的晶型结构、无毒性，在半导体、光学器件、催化剂、气体传感和电化学储存领域作为基础研究和技术应用的关键性材料引起研究者的广泛关注。在锂离子电池领域，二氧化钛较高的脱嵌锂电位可解决在负极产生锂枝晶的问题，同时在有机电解液中较小的溶解度、脱嵌锂过程中较小的体积变化，均有利于提高材料的循环性能和使用寿命。然而，由于二氧化钛本征离子迁移率和电导率低，严重影响其倍率性能，制约了其在储能领域地广泛应用。针对上述问题，研究者做了大量工作，其中一种有效的措施是通过构筑多孔结构纳米材料，提高材料的比表面积，增加电极与电解液间的接触，缩短锂离子与电子的传输路径；另一种方法是将二氧化钛与高导电性的材料复合，如金属、金属氧化物、碳基材料等，可以显著提高材料的导电性。近年来，引入混合晶型结构的二氧化钛在电化学储能领域的应用吸引了不少研究者的关注。二氧化钛常见的晶型结构有板钛矿、B相二氧化钛、锐钛矿和金红石。在二氧化钛众多晶型结构中，B相二氧化钛因为具备以下特点，而展现出优异的电化学储锂性能：首先，B相二氧化钛由TiO6八面体共边和共角排列组成，因此具备更多的开放通道，有利于加速锂离子在晶体结构中的迁移速率；其次，B相二氧化钛相比于锐钛矿相具有更高的理论容量(335mAhg-1)；同时，在充放电过程中，B相二氧化钛几乎不发生体积变化；最后，B相二氧化钛在扩散动力学过程中存在赝电容行为，有助于提高二氧化钛的倍率性能。研究表明，在Li+存储过程中，B相/锐钛矿相二氧化钛具备更多优势。一方面，锐钛矿相二氧化钛有利于电子传导，而B相二氧化钛加速Li+传输过程；另一方面，两者之间产生的相界可通过电荷分离及界面缺陷提供丰富的Li+活性位点，故混合晶体结构将发挥二者的协同作用，显著提高二氧化钛倍率性能；尽管相关研究已取得了一些进展，但是B相二氧化钛为钛酸与锐钛矿相的中间相，随着温度的升高，B相将会向锐钛矿相发生相转变。故要抑制B相在高温时发生相变，利用其在二氧化钛材料中的容量贡献，实现二氧化钛中B相与锐钛矿双相比例可控，充分发挥二者的协同作用是提高二氧化钛材料电化学性能的关键。本专利技术采用水热法制备二氧化钛前驱体，随后进行高温煅烧获得碳包覆介孔双相二氧化钛。高温煅烧过程中，二氧化钛前驱体高温分解产生气体，催生出丰富的介孔结构，同时乙二醇经高温热解产生碳源，在二氧化钛表面原位碳化形成碳包覆层，通过调节煅烧温度实现二氧化钛中B相与锐钛矿相的比例调控。采用此方法制备碳包覆介孔双相二氧化钛尚未见报道。
技术实现思路
基于上述现有技术所存在的问题，本专利技术的目的在于提高一种碳包覆介孔双相二氧化钛及其制备方法与储能应用。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种碳包覆介孔双相二氧化钛的制备方法，其特点在于：首先制备钛酸纳米带作为二氧化钛前驱体；然后将二氧化钛前驱体浸泡在乙二醇中，通过高温煅烧获得碳包覆介孔双相二氧化钛。具体包括如下步骤：步骤1、水热法制备二氧化钛前驱体称取0.3～1.0g二氧化钛溶解于6～12molL-1氢氧化钠溶液中，进行水热反应，其中水热温度为100～200℃、保温时间为12～60h，然后离心、水洗、干燥，收集粉末产物；将收集的粉末产物置于0.1～1.0molL-1盐酸溶液中，进行离子交换8～12h，然后离心、水洗、干燥，获得钛酸纳米带，即为二氧化钛前驱体；步骤2、浸泡法获得碳包覆介孔双相二氧化钛前驱液将100～200mg所述二氧化钛前驱体浸泡于1～10mL乙二醇中，静置2～24h，获得碳包覆介孔双相二氧化钛前驱液；步骤3、高温煅烧制备碳包覆介孔双相二氧化钛将所述碳包覆介孔双相二氧化钛前驱液置于管式炉中，在氩气保护下进行高温煅烧，其中煅烧温度为300～800℃、保温时间为60～240min、升温速率为0.5～10℃min-1，煅烧结束后自然冷却至室温，即获得碳包覆介孔双相二氧化钛。进一步地，在高温煅烧过程中，乙二醇高温热解作为碳源，在二氧化钛表面原位形成碳包覆层。可通过调控二氧化钛前驱体与乙二醇的用量，实现碳包覆量的可控。进一步地，在高温煅烧过程中，二氧化钛前驱体高温分解产生大量气体，于二氧化钛基体中催生出丰富的介孔结构。形成的介孔结构增加了电极与电解液间的接触面积，缩短锂离子以及电子的传输距离，进一步提高材料的电化学性能。进一步地，通过调控高温煅烧的温度，可实现二氧化钛中B相和锐钛矿相比例可调，从而实现电化学性能优化。本专利技术所制备的碳包覆介孔双相二氧化钛可用作电化学储能材料，如作为电池电极材料，展现出较高的比容量。此外，本专利技术所制备的碳包覆介孔双相二氧化钛在催化、传感等领域同样具备较大的潜力。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术合成的碳包覆介孔双相二氧化钛材料具有丰富的介孔结构、B相和锐钛矿相双晶体结构、大的比表面积，三者优势结合，大大缩短了锂离子与电子的传输距离，提高了材料的离子扩散速率以及导电性。该材料应用于锂离子电池负极材料时展现出优异的比容量以及倍率性能，是一种理想的电极材料。2、本专利技术碳包覆介孔双相二氧化钛的制备方法无需额外加入碳源，工艺简单，利于工业化生产。3、本专利技术的制备方法，利用乙二醇高温热解，在二氧化碳表面原位形成碳包覆层，并通过调节乙二醇与二氧化钛的比例和煅烧温度控制碳包覆层的厚度；利用二氧化钛前驱体高温分解过程中产生气体，催生出丰富的介孔结构；通过调节煅烧温度，实现二氧化钛中B相与锐钛矿相比例可控。如当乙二醇(2mL)、钛酸(200mg)、煅烧温度600℃、保温时间2h时，所得产物的碳包覆层厚度约为3nm、介孔直径为2～30nm、二氧化钛中B相与锐钛矿相二者质量分数分别为70％和30％时，展现出较高的放电比容量(503mAhg-1,电流密度100mAg-1)。附图说明图1为实施例1制备的二氧化钛前驱体的FESEM照片；图2为实施例1制备的二氧化钛前驱体的TEM照片；图3为实施例1制备的碳包覆介孔双相二氧化钛前驱液的FESEM照片；图4为实施例5制备的双相二氧化钛的FESEM照片；图5为实施例2～5制备的双相二氧化钛的XRD图谱；图6为实施例6制备的碳包覆介孔双相二氧化钛的FESEM照片；图7为实施例7制备的碳包覆介孔双相二氧化钛的FESEM照片；图8为实施例8制备的碳包覆介孔双相二氧化钛的FESEM照片；图9为实施例9制备的碳包覆介孔双相二氧化钛的FESEM照片；图10为实施例6～9制备的碳包覆介孔双相二氧化钛的XRD图谱；图11为实施例2～9所制备的双相二氧化钛与碳包覆介孔双相二氧化钛材料中B相二氧化钛占二氧化钛的质量百分比柱状图；图12为实施例8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆介孔双相二氧化钛的制备方法，其特征在于：首先制备钛酸纳米带作为二氧化钛前驱体；然后将二氧化钛前驱体浸泡在乙二醇中，通过高温煅烧获得碳包覆介孔双相二氧化钛。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆介孔双相二氧化钛的制备方法，其特征在于：首先制备钛酸纳米带作为二氧化钛前驱体；然后将二氧化钛前驱体浸泡在乙二醇中，通过高温煅烧获得碳包覆介孔双相二氧化钛。


2.根据权利要求1所述的一种碳包覆介孔双相二氧化钛的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、水热法制备二氧化钛前驱体
称取0.3～1.0g二氧化钛溶解于6～12molL-1氢氧化钠溶液中，进行水热反应，其中水热温度为100～200℃、保温时间为12～60h，然后离心、水洗、干燥，收集粉末产物；
将收集的粉末产物置于0.1～1.0molL-1盐酸溶液中，进行离子交换8～12h，然后离心、水洗、干燥，获得钛酸纳米带，即为二氧化钛前驱体；
步骤2、浸泡法获得碳包覆介孔双相二氧化钛前驱液
将100～200mg所述二氧化钛前驱体浸泡于1～10mL乙二醇中，静置2～24h，获得碳包覆介孔双相二氧化钛前驱液；
步骤3、高温煅烧制备碳包覆介孔双相二氧化钛
将所述碳包覆介孔双相二氧化钛前驱液置于管式炉中，在氩气保护下进行高温煅烧，其中煅烧温度为300～800℃、保温时间为60～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，姚思梦，吴玉程，余翠平，崔接武，秦永强，张勇，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34