[發明專利]二氧化鈦(B)-石墨烯自卷繞納米復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410008803.1
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN103700829A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 李新祿;張勇來;李同濤;鐘奇能;黃佳木;李鴻乂;吳啟鵬;李俊杰;張成熒
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/587
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于碳納米復合材料制備技術領域，具體涉及碳納米復合材料中二氧化鈦(B)-石墨烯自卷繞納米復合材料的制備方法。

背景技術

二氧化鈦(B)具有價格低、來源廣、無毒、無污染，穩定性好等優點，廣泛應用于光催化污染物處理、染料敏化太陽能電池、鋰離子電池等領域，備受材料研究者的廣泛關注。二氧化鈦(B)納米管具有比表面積大、管徑均勻、結構穩定等優點，用作電極材料時，其中空結構有利于鋰離子的迅速遷移，還能有效緩解充放電過程中微應力引起的體積效應，避免電極材料的粉化，從而提高鋰離子電池的電化學性能。同時，其嵌鋰電位遠高于傳統的石墨負極材料，避免SEI膜的形成，具有很好的應用潛力。然而，二氧化鈦(B)的導電性差，限制了其在能量存儲領域里的應用。為了提高鋰離子電池的循環性能和容量，對二氧化鈦(B)進行表面復合的研究有重要意義。

石墨烯作為一種新型的二維材料，由碳原子以sp²雜化形成六邊形蜂窩狀單原子層晶格，具有比表面積大(理論可達2630m²/g)、導電性好(室溫電子遷移率達15000cm²／(V·s)等諸多優點。現有方法中以二維石墨烯為基體、制備的二氧化鈦-石墨烯復合物雖然具有較好的電化學性能，但難以承受高倍率充放電，隨著使用過程中二氧化鈦從石墨烯層上剝落，其性能會逐漸衰減。納米卷繞式結構的石墨烯類似碳納米管，能保持二氧化鈦與石墨烯的良好接觸，從而維持二氧化鈦-石墨烯復合物性能的穩定性。

現有二氧化鈦-石墨烯復合材料的制備方法，如2012年6月13日公布的公布號為CN102496700A的“石墨烯-二氧化鈦納米管復合材料及其制備方法”專利，公開的方法為：先以石墨粉為原料制得氧化石墨烯分散液；后加入鈦源混合均勻后，再進行水熱反應，并經清洗、過濾、再清洗，再真空干燥而制得石墨烯-鈦酸鹽納米管粉末；然后在氣氛保護下燒結就制得石墨烯-二氧化鈦納米管復合材料產品。該方法主要缺點為：①制備氧化石墨烯分散液和石墨烯-二氧化鈦納米管粉末的操作復雜，不便推廣應用；②由于所用P25為進口原料，價格貴，從而增加生產成本；③該方法中，對多次的清洗液未收集進行處理就直接排放，污染環境；④采用該方法制得的產品，由于二氧化鈦與石墨烯接觸面積有限，因而導電性差，又由于二氧化鈦納米管負載在石墨烯的表面，結構穩定性差，難以承受高電流密度下的充放電，所以該產品只適用作小型鋰離子電池、太陽能電池等領域中，不適用作動力型鋰離子電池負極材料，應用范圍受限。

發明內容

本發明的目的在于針對現有二氧化鈦-石墨烯復合材料的制備方法的不足，提供一種二氧化鈦(B)-石墨烯自卷繞納米復合材料的制備方法。本發明方法具有操作簡單、成本低、有利于環保、產率高等特點，用本發明方法制備出的產品是表面為自卷繞的石墨烯包裹單斜晶二氧化鈦(B)而形成一維納米卷式結構，其卷徑為50～150nm，卷長為0.5～2μm，具有導電性好，結構穩定，離子遷移通道廣闊等優點，可廣泛用于光觸媒、空氣凈化、染料敏化太陽能電池、鋰離子電池等領域，特別適合用作動力型鋰離子電池負極材料。

實現本發明目的之技術方案為：一種二氧化鈦(B)-石墨烯自卷繞納米復合材料的制備方法，以市售二氧化鈦粉末和氧化石墨烯溶液為原料，先進行水熱反應，后制備二氧化鈦(B)-石墨烯自卷繞納米復合材料產品。所述方法的具體步驟如下：

(1)進行水熱反應

以市售二氧化鈦粉末和氧化石墨烯溶液為原料，按照二氧化鈦粉末的質量(g)∶氧化石墨烯溶液的體積(mL)∶氫氧化鈉溶液的體積(mL)之比為1∶10～50∶80～400的比例，所述的氧化石墨烯溶液濃度為2～20mg/mL，所述的氫氧化鈉溶液濃度為6～15mol／L。先將二氧化鈦粉末加入到氧化石墨烯溶液中，攪拌2～6小時，制備出二氧化鈦的均勻分散液。在所述分散液中加入所述的氫氧化鈉溶液，再攪拌10～60分鐘，就制備出二氧化鈦-氧化石墨烯-氫氧化鈉的均勻混合液，然后將所述的混合液放置于反應釜中，在溫度為120～180℃下進行水熱反應24～96小時，就制得鈦酸鹽-石墨烯的納米復合材料的稠狀物；

(2)制備二氧化鈦(B)-石墨烯自卷繞納米復合材料產品