基于两种胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构的方法与用途技术

本发明专利技术公开了一种基于两种胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构，包括如下步骤：a采用剥离剂对Ti3C2T

【技术实现步骤摘要】
基于两种胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构的方法与用途


[0001]本专利技术属于电化学领域，具体涉及一种基于两种胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构用于锂离子电池复合负极材料。

技术介绍

[0002]近年来，部分电池材料在纳米化后被发现表现出赝电容特性，在储锂过程中能够克服Li
+
扩散受限的缺点，从而表现出快速且可逆的储锂动力学，极大地改善倍率性能。新型二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)具有超高的金属导电性，能够进行快速的电子转移，显示出赝电容储能特性，可以实现快速的表面氧化还原反应，表现出快速的储锂动力学。MXene材料通常是通过腐蚀MAX相材料中的A制得。其中MAX相是一种三元层状陶瓷材料，分子式为M
n+1
AX
n
(n＝1,2,3)，六方结构，空间群为P63/mmc，M主要为前过渡金属(Ti、Nb、Ta、V、Mo、Cr、Zr)，A为13或14主族元素，X为C和/或N。M原子层六方密堆积，X原子填充在八面体空位形成MX层，层间插入一层A原子，A原子与MX层以金属键的形式相互作用形成三维结构。研究表明HF可以选择性的腐蚀A原子层，形成稳定的多层MXene层，但是这种多层纳米片的活性位点利用率不高。
[0003]为了提高层间活性位点利用率，一种方法是通过插层剂进行扩层，另一种方法是通过机械、物理和化学的手段将其剥离得到单层或少层纳米片，提高表面活性位点的高效利用。然而，剥离后的单层MXene纳米片与石墨烯类似通常具有高表面能易发生再次堆垛。并且，剥离之后的MXenes纳米片容易被氧化，从而影响导电性，在材料制备过程中要避免这种不利氧化。目前为止，还没有公开的，简单的，可实际应用的方法可以改善纳米片堆垛问题。
[0004]设计构建MXene纳米复合材料，有效降低单层纳米片表面能，能够预防纳米片的再次堆垛，从而提高表面活性电位的利用率，并且加速离子传输。在此专利技术中，专利技术人选用的Ti3C2T
x MXene。将剥离之后的Ti3C2T
x
MXene纳米片与TiO2纳米颗粒通过简便且经济高效的液相自组装进行复合。一方面TiO2纳米颗粒作为隔离剂有效阻止Ti3C2T
x
纳米片的堆垛，缩短了离子的传输路径；另一方面，Ti3C2T
x
的超高导电性可以改善TiO2低导电性，加快电子的转移。
[0005]然而，最大的挑战仍然是如何将MXene纳米片与TiO2纳米颗粒组装成一个大规模的，结构有序可调控的结构。目前为止，还没有公开的，简单的，可实际应用的方法制备可以改善储锂动力学的锂离子电池负极材料。

技术实现思路

[0006]为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用下述技术方案：一种基于两种胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构的方法，用于改善储锂动力学并提高储锂容量，包括如下步骤：
[0007]a.采用剥离剂对Ti3C2T
x MXene进行剥离，得到Ti3C2T
x MXene胶体溶液；
[0008]b.在弱酸溶液中水解制备TiO2胶体溶液；
[0009]c.将两组胶体溶液进行混合自组装得到TiO2/Ti3C2T
x
前驱体，惰性气体中煅烧后得到TiO2/Ti3C2T
x
纳米异质结构；
[0010]优选的，步骤a所述剥离剂是有机碱四丁基氢氧化铵(TBAOH)，将HF酸刻蚀Ti3AlC2后得到的多层Ti3C2T
x MXene分散在浓度为10wt.％TBAOH水溶液，常温下磁力搅拌不少于24小时。
[0011]优选的，步骤b所述TiO2胶体溶液是在氮气气氛保护下，将钛源
‑
钛酸异丙酯(Ti(OCH(CH3)2)4)与10mL的异丙醇混合搅拌，然后滴加0.1MHNO3水溶液，80℃加热8h，得到TiO2纳米颗粒胶体溶液。
[0012]优选的，步骤c所述的溶液混合自组装是将TiO2胶体溶液向Ti3C2T
x MXene胶体溶液滴加直至混合溶液完全絮凝。在此过程中，Ti3C2T
x
纳米片表面因为携带官能团显示负电，在酸性溶液中水解后的TiO2纳米粒子前驱体(Ti
‑
OH
2+
)显正电性，两组分带不同电性胶粒混合后在静电作用力下驱动下自组装得到TiO2/Ti3C2T
x MXene前驱体。
[0013]优选的，自组装过程中为了避免Ti3C2T
x
纳米片和TiO2纳米颗粒出现再次堆垛和团聚，需要调控TiO2和Ti3C2T
x
质量比，在二者质量比为1:1时，不会出现再次堆垛和团聚现象。
[0014]根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了一种基于两种胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构的用途，用作锂离子电池负极材料活性材料。
[0015]根据本专利技术的又一个方面，本专利技术提供了一种锂离子电池负极材料活性材料的制备方法，包括如下步骤：
[0016]a,将Ti3AlC2粉末添加到HF酸水溶液中，在室温下搅拌得悬浮液；将上述悬浮液离心并用去离子水洗涤数次除去残留的酸，直至上清液pH值为5
‑
6；真空烘干后称重，随后将其分散至四丁基氢氧化铵水溶液，搅拌剥离Ti3C2T
x
得到Ti3C2T
x
胶体溶液；
[0017]b,在干燥的氮气气氛保护下，将钛酸异丙酯与异丙醇混合，快速搅拌，然后缓慢滴加HNO3水溶液，加热得到TiO2前驱体胶体溶液；
[0018]c,取Ti3C2T
x
胶体溶液稀释在去离子水中，搅拌均匀；向上述溶液滴加TiO2胶体溶液直至混合溶液完全絮凝搅拌均匀；离心洗涤多次并收集沉淀物，真空干燥后得到TiO2/Ti3C2T
x
异质结构前驱体；将前驱体置入管式炉在氩气气氛中煅烧，得到TiO2纳米颗粒和Ti3C2T
x
纳米片质量比为1:1的TiO2/Ti3C2T
x
(1:1)异质结构。
[0019]本专利技术首次公开了一种基于胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构，实验方法简单、高效、成本低，制备得到的产物稳定，并且制备得到的TiO2/MXene异质结构具有优异的储锂特性，尤其是倍率性能得到较明显的提高，对于制备MXene纳米片与金属氧化物纳米异质结构提供了一种思路，拓展了MXene相关复合结构和材料在电化学储能领域潜在的应用。
附图说明
[0020]图1为实施例1中刻蚀后多层Ti3C2T
x
扫描电子显微镜图片；
[0021]图2为实施例1中自组装后TiO2/Ti3C2T
x
(1:1)异质结构；
[0022]图3为实施例2中自组装后TiO2/Ti3C2T
x
(1:2)异质结构；
[0023]图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于两种胶体溶液自组装法制备TiO2/MXene异质结构的方法，包括如下步骤：a.采用剥离剂对Ti3C2T
x MXene进行剥离，得到Ti3C2T
x
MXene胶体溶液；b.在弱酸溶液中水解制备TiO2胶体溶液；c.将两组胶体溶液进行混合自组装得到TiO2/Ti3C2T
x
前驱体，惰性气体中煅烧后得到TiO2/Ti3C2T
x
纳米异质结构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤a所述剥离剂是有机碱四丁基氢氧化铵，将HF酸刻蚀Ti3AlC2后得到的多层Ti3C2T
x
MXene分散在浓度为10wt.％TBAOH水溶液，常温下磁力搅拌不少于24小时。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤b所述TiO2胶体溶液是在氮气气氛保护下，将钛源
‑
钛酸异丙酯与异丙醇混合搅拌，然后滴加HNO3水溶液，加热得到TiO2纳米颗粒胶体溶液。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤c所述的溶液混合自组装是将TiO2胶体溶液向Ti3C2T
x MXene胶体溶液滴加直至混合溶液完全絮凝。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：自组装过程中TiO2和...

【专利技术属性】
技术研发人员：周锦华，刘玉申，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：