低温快速合成电极材料的方法技术

本发明专利技术提出以低温快速条件下合成电极材料的方法，是将碳材、二氧化钛前驱物、离子液体、水和醇类溶剂的混合物利用微波加热，以形成一种二氧化钛/碳材复合电极材料，可应用于制作电容脱盐、超级电容或其他能源装置的电极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于一种电极材料的新颖合成方法，特别有关于以低温快速方式合成出二氧化钛结晶纳米颗粒并固定于碳材上的方法。
技术介绍
电容脱盐(capacitive deionization, 0)1)技术以多孔性电极材料在常压及低耗能条件下，利用电双层(electrical double layer, EDL)吸附水中离子的原理达到脱盐效果，具有取代反渗透(reverse osmosis, R0)、电透析(electrodialysis, ED)或离子交换树脂等脱盐技术的潜力。电容脱盐的电极材料中以碳材为主要材料,为了要提高碳材(如活性碳、纳米碳管或其他)电极的电容能力，常须进行电极材料的改质。以活性碳电极材料的改质为例，可加碱(如KOH或NaOH)改变活性碳的亲水性(wettability)，或者添加金属氧化物改善活性碳的离子电吸附及脱附性能，后者是被认为最有商业化的可行性。于活性碳电极材料上添加金属氧化物(metal oxide)的方式包含共混(blending)、化学沉积法(precipitation)或溶胶凝胶法(sol-gel)等方式,然而,共混和化学沉积法容易造成金属氧化物聚集，无法均匀分散在活性碳表面上，而传统的溶胶凝胶法则需要在高温(200-5000C )及高压的条件下才能得到具结晶相的金属氧化物，不但耗能及耗时，而且其合成步骤繁杂，不符合节能减碳的环保需求。
技术实现思路
本专利技术使用离子液体(ionic liquid, IL)及微波(microwave)加热进行溶胶凝胶反应(sol-gel reaction)，相较于传统的溶胶凝胶法，本专利技术之方法可以在常压和150°C以下的低温条件，以2小时以内的反应时间合成出二氧化钛结晶纳米颗粒(titanium dioxidecrystalline nano-particles)均勻地分散且固定于碳材(carbon substrates)表面,可以作为电容脱盐或超级电容(supercapacitors)的电极材料,有效地提升电极的电吸附性能(电容特性)及延长电极的使用寿命。本专利技术之实施例提供以低温快速方式合成出此种电极材料的方法，包括:将碳材、二氧化钛前驱物、离子液体、水和醇类溶剂的混合物进行第一阶段微波加热；以及添加醇类溶剂、离子液体和水，进行第二阶段微波加热，合成出多个二氧化钛结晶纳米颗粒并固定于碳材上,此电极材料为制备电极的关键材料。为了让本专利技术之上述目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合实施方式，作详细说明如下:附图说明图1显示实施例1(使用TTIP:水的摩尔比为1: 30的条件)所合成的电极材料粉末之拉曼光谱图； 图2显示实施例1 (使用TTIP:水的摩尔比为1: 30的条件)所合成的电极材料粉末之X射线能量散布分析结果；图3显示实施例1 (使用TTIP:水的摩尔比为1: 15的条件)所合成的电极材料(AC/Ti02)与未含TiO2的活性碳电极(AC)的电容值比较；图4显示实施例1所合成的电极材料粉末之热重量分析结果；以及图5显示实施例1所合成的电极材料的TiO2含量和用其制备的电极之比电容值。具体实施方式本专利技术之实施方法可分为两个阶段:(I) 二氧化钛的水解缩合反应(hydrolysis-condensation reaction)阶段，将碳材与醇类溶剂、离子液体、水以及二氧化钛前驱物混合，进行第一阶段的微波加热，其中碳材:醇类溶剂:二氧化钛前驱物的重量比(weight ratio)范围在1-60: 60-120: 0.2-2，而离子液体:水:二氧化钛前驱物的摩尔比(molar ratio)范围在1_12: 10-60: 1-1O0 (2) 二氧化钛的结晶(crystallization)阶段，将第一阶段的产物中再添加醇类溶剂、离子液体和水，进行第二阶段的微波加热，其中碳材:醇类溶剂的重量比(weight ratio)范围在1_10: 30-80，而离子液体:水的摩尔比(molar ratio)范围在1-12: 10-60。第一阶段微波加热和第二阶段微波加热的微波功率为200-2000W，微波频率在0.3GHz至300GHz之间，第一阶段微波加热的时间约为30分钟以内，第二阶段微波加热的时间约为60分钟以内。在第一阶段所使用的醇类溶剂、离子液体、水以及二氧化钛前驱物的混合物，在微波加热下进行溶胶凝胶(sol-gel)反应，其中二氧化钛前驱物水解后可直接与碳材表面的官能基例如-C00H或-OH等进行缩合反应，使得水解缩合反应形成的二氧化钛可均匀地分散并直接固定于碳材表面上。在一实施例`中，二氧化钛前驱物与碳材的重量比(weightratio)介于1: 60至1:1之间。由二氧`化钛前驱物与碳材的重量比可调控固定于碳材上的二氧化钛含量，二氧化钛前驱物的重量比例越高，则形成的二氧化钛的含量越高。同时，二氧化钛前驱物与水的摩尔比(molar ratio)亦可以控制二氧化钛的粒径(particlesize)。另外，添加醇类溶剂与离子液体以及控制水的添加摩尔比，可减缓形成TiO2的水解缩合反应速率，有助于增加合成初期的TiOH含量及增加亲水性，避免产生大颗粒的无定形(amorphous) TiO2,且有利于 TiO2 的溶解再结晶反应(dissolution-recrystallization),可合成出锐钛型(anatase)的二氧化钛纳米颗粒(nano-particles)固定在碳材表面。在一实施例中，于第一阶段和第二阶段的微波加热步骤中所使用的离子液体与水的摩尔比介于1: 60至1: 10之间。在一实施例中，碳材可以是活性碳、竹碳、纳米碳管(carbon nanotube,CNT)、石墨烯(graphene)或前述之混合物,碳材的比表面积较佳为大于300m2/g,且碳材的孔洞直径较佳为介于Inm-1OOOnm之间。醇类溶剂可以是乙醇(ethanol)、异丙醇(isopropanol)或丁醇(n-butanol), 二氧化钛前驱物为四异丙醇钛(titanium tetraisopropoxide, TTIP)或四正丁醇钦(titanium butoxide)。第二阶段使用的离子液体可吸收微波能量，能促进二氧化钛的结晶(crystallization)反应，以形成二氧化钛结晶纳米颗粒且固定于碳材上，二氧化钛的含量约为碳材的30% (重量比)以下。在一实施例中，离子液体由阳离子端及阴离子端所组成，其中阳离子端例如为1-乙基-3-甲基咪唑鐵(l-ethyl-3-methylimidazolium ； [EMIM]+)或 1-丁基-3-甲基咪唑鐵(l-butyl-3-methylimidazolium ; [BMIM]+);阴离子端例如为四氟硼酸根(BF4O或三氟甲磺酸根(CF3SO3O。由于本专利技术之实施例使用离子液体及微波加热方式进行溶胶凝胶反应，温度控制在150°C以下，且反应时间少于2小时，即可形成二氧化钛结晶纳米颗粒固定于碳材上，相较于传统的溶胶凝胶法需要高温及高压方式才能形成二氧化钛结晶纳米颗粒，本专利技术之实施例的方法属于常压、低温、省时且低耗能的制备方式，此电极材料为制备电极的关键材料。依据本专利技术之实施例所合成的电极材料为二氧化钛结晶纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温快速合成电极材料的方法，包括：提供碳材；加入醇类溶剂、离子液体、水和二氧化钛前驱物混合，进行第一阶段微波加热；以及再加入该醇类溶剂、该离子液体和水，进行第二阶段微波加热，合成出多个二氧化钛结晶纳米颗粒且固定于该碳材上。

【技术特征摘要】
2011.12.26 TW 1001485391.一种低温快速合成电极材料的方法,包括: 提供碳材； 加入醇类溶剂、离子液体、水和二氧化钛前驱物混合，进行第一阶段微波加热；以及 再加入该醇类溶剂、该离子液体和水，进行第二阶段微波加热，合成出多个二氧化钛结晶纳米颗粒且固定于该碳材上。2.如权利要求1所述的低温快速合成电极材料的方法，其中该碳材包括活性碳、竹碳、纳米碳管、石墨烯或前述之混合物。3.如权利要求1所述的低温快速合成电极材料的方法，其中该碳材的形状包括粉末状、颗粒状、纤维状、布状或球状。4.如权利要求1所述的低温快速合成电极材料的方法，其中该碳材的比表面积大于300m2/g,且该碳材的孔洞平均直径介于Inm-1OOOnm之间。5.如权利要求1所述的低温快速合成电极材料的方法，其中该离子液体包括阳离子端及阴离子端。6.如权利要求5所述的低温快速合成电极材料的方法，其中该离子液体中的阳离子端包括1-乙基-3-甲基咪唑鎗([EMIM]+)或1- 丁基-3-甲基咪唑鎗([BMIM]+)。7.如权利要求5所述的低温快速合成电极材料的方法，其中该离子液体中的阴离子端包括四氟硼酸根(BF4_)或三氟甲磺酸根(CF3S...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪仁阳，张敏超，邵信，刘柏逸，钟琍菁，黄盟舜，梁德明，黄国豪，陈致君，徐淑芳，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：