一维钛酸纳米管材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一维钛酸（Ｈ↓［２］Ｔｉ↓［５］Ｏ↓［１１］.３Ｈ↓［２］Ｏ）纳米管材料的制备方法及其材料的应用。一维钛酸纳米管材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：１）将ＴｉＯ↓［２］粉末置于摩尔浓度大于２Ｍ至小于２０Ｍ的氢氧化钠溶液中剧烈搅拌３０～５０ｈ得到悬浊溶液，其中，ＴｉＯ↓［２］粉与摩尔浓度大于２Ｍ至小于２０Ｍ的氢氧化钠溶液的配比＝３．３３ｇ∶１００ｍｌ；２）将悬浊溶液采用水热方法在１６０～２２０℃的温度下水热反应４８小时以上；３）然后滴加浓度为０．１Ｍ的ＨＣｌ溶液调整ｐＨ值到７．０，过滤后在８０℃下烘干１２～２４小时，得一维钛酸（Ｈ↓［２］Ｔｉ↓［５］Ｏ↓［１１］.３Ｈ↓［２］Ｏ）纳米管材料。该方法工工艺简单、可控程度高、成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料与纳米
，具体涉及一维钛酸(H2Ti50,r3H20)纳米管材料的制备 方法及其材料的应用。技术背景随着信息产业和工业生产的迅猛发展，动力用电池的开发和使用对于缓解能源短缺与环境污 染的现状具有重要的社会价值和现实意义。因此，国际上掀起了以开发清洁可再生的锂二次电池 等新能源为重点的新能源材料和技术的研究开发热潮。限制锂二次电池快速充放电能力的主要因素在于锂离子在材料内部的扩散速率比较低。纳米 材料具有比表面大，锂离子嵌A/脱出深度小、行程短的特性，使电极在大电流下充放电极化程度小，可逆容量高，循环寿命长；纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间， 使有机溶剂具有良好的相容性，同时也给锂离子的嵌入脱出提供了大量的空间，进一步提高嵌锂 容量及能量密度。1102衍生物一碱金属钛酸盐(八21^0211+1， 2^n芸9， A为H或碱金属元素)具有层状或隧道状 结构。尤其是当n为3，4，5时，A2Tin0^w钛酸盐具有以n个Ti06八面体为周期性结构的层状结构。因此， 一维A2Tin02^碱金属钛酸盐被认为具有优异的离子交换性能，有希望用做锂二次电池的负极材料，可以显著的提高电极的安全性和快速充放电性能。目前，尚未见合成结构式为H2Ti5Ou的一维纳米材料及其电化学嵌锂行为的研究报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一维钛酸(H2Ti50『3H20)纳米管材料的制备方法及其应用，该方法工 工艺简单、可控程度高、成本低廉。为了实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是 一维钛酸纳米管材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤1) 将Ti02粉末置于摩尔浓度大于2M至小于20 M的氢氧化钠溶液中剧烈搅拌30 50h得 到悬浊溶液，其中，TiO2粉与摩尔浓度大于2M至小于20M的氢氧化钠溶液的配比二3.33g: 100 ml;2) 将悬浊溶 用水热方法在160 220'C的温度下水热反应48小时以上；3) 然后滴加浓度为0.1M的HC1溶液调整pH值到7.0，过滤后在80 。C下烘干12 24小时， 得一维钛酸(H2TisCH t '3H20)纳米管材料。一维钛酸(H2Ti5Chr3H20)纳米管材料作为锂二次电池的负极材料应用于锂二次电池中。 本专利技术所述的剧烈搅拌为300 900转/分钟。本专利技术直接采用商用Ti02粉末作为反应前驱体，在热碱水热条件下反应，工艺简单，对设 备要求低，重现性好，可控程度高，符合环境要求，并大大降低了合成成本(成本低廉)；应用于锂二次电池电化学嵌锂性能较好，符合环境要求和缓解能源危机要求，具有广阔的应用前景。 附图说明图1 a是本专利技术实施例1的显，敛结构表征的TEM照片；图1 b是本专利技术实施例1的显微结构表征的HRTEM照片；图2是一维钛酸(H2Ti50,r3H20)纳米管材料的充放电容量循环性能图；图3是热碱浓度为15M、反应时问为48小时，不同水热温度下产物的XRD图谱；图4是热碱浓度为5M、水热温度为180 "C时，不同反应时间下产物的XRD图谱；图5是水热温度为180 'C，水热反应时间为48小时时，不同的热碱浓度下产物的XRD图谱。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅 局限于卜一面的实施例。实施例l:一维钛酸纳米管材料的制备方法，它包括如下步骤1) 将3.33 g的分析纯Ti02粉末置于体积为100 ml、摩尔浓度为10 M的氢氧化钠溶液屮剧 烈搅拌36h得到悬浊溶液；2) 将悬浊溶液采用水热方法在18(TC的温度下水热反应48小时；3) 然后滴加浓度为0.1M的HCl溶液调整pH值到7.0，过滤后在8(TC下烘干24小时，得 -维钛酸(H2Ti50ir3H20)纳米管材料。所得一维钛酸(H2Ti5Chr3H20)纳米管材料的显微结构表征的TEM照片、HRTEM照片，见图1 a、图1 b。图1 a、图1 b的说明从TEM照片可以看到存在大量的管状结构，外部直径约8 12nm， 内径约5 8 nm，长度约几个微米。高分辨透射电镜(HRTEM)照片表明该物质存在平直晶格 结构的典型性层状结构，存在两个晶向的晶格条纹沿管子轴向的约为0.1890 nm,这与单斜结 构的H2Ti5Oir3H20 {020}晶面的晶面'间距0.1882nm相吻合；沿管壁之间的间距约为0.2060nm， 这与单斜结构的H2Ti5Oir3H20 {800}晶面的晶面间距0.2073 nm相吻合。这说明经过水热处理方 法确实合成了一维钛酸(H2Ti5Oir3H20)纳米管材料。应用将一维钛酸(1121150 31120)纳米管材料作为锂二次电池的负极材料应用于锂二次电池 中，研究其电化学嵌锂行为(循环伏安特性曲线见图2)。图2说明以一维钛酸(H2Ti50,r3H20)纳米管为负极材料组装锂二次电池，电化学储锂性能 表明首次充放电容量分别为270mAh/g和259mAh/g，循环50次后，充放电容量依然保持为152 mAh/g和147mAh/g，表明该材料具有良好的充放电容量和充放电可逆性。实施例2 (热碱浓度为15M，水热反应时间为48小时时，不同的水热温度对水热产物的影响)1) 将3.33 g的分析纯Ti02粉末置于体积为100ml、摩尔浓度为15 M的氢氧化钠溶液中剧 烈搅拌36h得到悬浊溶液；2) 将悬浊溶液采用7]C热方法在下述四组a).120。C、 b).140。C、 c).160。C、 d).180。C的温度下水热反应48小时；3)然后滴加浓度为0.1M的HC1溶液调整PH值到7.0，过滤后在80 'C下烘干24小时，得 一维钛酸(H2Tis0,, '3H20)纳米管材料。不同的水热温度对水热产物的影响见图3。图3说明160 'C和180 'C下合成产物的XRD 图各衍射峰的位置和相对强度均与钛酸(H2TisChr3H20)材料的XRD图谱相吻合(JCPDS No.: 44-0131)，在14CrC时仍然存在尚未参与反应的锐钛矿Ti02物相。这说明在其他反应条件不变的 情况下，只有在温度高于160 'C才会生成一维钛酸(H2Ti5Chr3H20)纳米管材料。实施例3 (热碱浓度为5M,水热温度为180 'C时，不同的水热反应时间对水热产物的影响)1) 将3.33 g的分析纯Ti02粉末置于体积为100ml、摩尔浓度为5 M的氢氧化钠溶液中剧烈 搅拌36h得到悬浊溶液；2) 将悬浊溶液采用水热方法在18(TC的 显度下水热反应24小时、48小时(g卩2D)、 3天、 4天、5天、6天、7天；3) 然后滴加浓度为0.1M的HC1溶液调整pH值到7.0,过滤后在80 °C下烘干24小吋，得 - 一维钛酸(H2Ti50n 3H20)纳米管材料。不同的水热反应时间对水热产物的影响见图4。图4说明反应时间为48小时以上的条件 下合成产物的XRD图各衍射峰的位置和相对强度均与钛酸(H2Ti50^3H20)材料的XRD图谱相 吻合(JCPDSNo.: 44-0131)，反应时间为24小时时仍然存在尚未参与反应的锐钛矿"02物相(对 应于20为25.306的XRD衍射峰)。这说明在其他反应条件不变的情况下，只有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一维钛酸纳米管材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：　１）将ＴｉＯ↓［２］粉末置于摩尔浓度大于２Ｍ至小于２０Ｍ的氢氧化钠溶液中剧烈搅拌３０～５０ｈ得到悬浊溶液，其中，ＴｉＯ↓［２］粉与摩尔浓度大于２Ｍ至小于２０Ｍ的氢氧化钠溶液的配比＝３．３３ｇ∶１００ｍｌ；　２）将悬浊溶液采用水热方法在１６０～２２０℃的温度下水热反应４８小时以上；　３）然后滴加浓度为０．１Ｍ的ＨＣｌ溶液调整ｐＨ值到７．０，过滤后在８０℃下烘干１２～２４小时，得一维钛酸纳米管材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘曰利，陈文，钟蕾，李洪全，舒威，周静，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]