[發明專利]一種分級結構的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510724904.3
• 申請日: 2015-10-30
• 公開（公告）號: CN105576224B
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 王洪恩;蔡恒輝;蔡祎;黃紹專;蘇寶連
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/62
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發明公開了一種分級結構的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料的制備方法，采用水熱法一步制備得到分級結構的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料，所得板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料的形貌呈納米片組裝的微米球狀，尺寸在1～2微米左右。所述制備方法包括以下步驟，將鈦酸異丁酯和有機胺混合在水/乙醇溶液中攪拌，將所得沉淀在石墨烯的水/乙醇的堿性溶液中進行水熱反應，即可得到最終產物。本發明采用水熱法制備出分級結構的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料，解決了純相板鈦礦氧化鈦難以合成和其電導率低導致電化學性能差的問題；且涉及的原料常見，工藝簡單易行，產量較大，應用于鋰離子電池負極時，表現出優異的電化學性能。

技術領域

本發明屬于無機材料與電化學器件材料技術領域，具體涉及一種分級結構的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著社會的發展，石油、煤炭等不可再生能源的消耗，能源與環境問題日益凸顯，新型儲能器件的發展倍受關注。鋰離子電池由于具有高能量密度，循環性能好，可充無污染，被廣泛應用于各種便攜式電子設備。目前混合電動汽車和電動汽車行業飛速發展，鋰離子電池作為高儲能器件也被廣泛應用。

目前，商業鋰離子電池負極材料以石墨為主，但由于其存在安全性能差等問題受到限制。二氧化鈦具有高嵌鋰電位(1.7V vs.Li/Li⁺)、化學穩定性好和安全性高等優點，是一類具有廣闊應用前景的鋰離子電池負極材料。二氧化鈦的常見晶型有銳鈦礦、板鈦礦、金紅石和TiO₂(B)。TiO₂的這些結構的共同點是，其組成結構的基本單位是鈦氧八面體。這些結構的區別在于，是由鈦氧八面體通過共用頂點還是共用邊組成骨架。板鈦礦TiO₂屬于斜方晶系，由TiO₆八面體共棱、共頂點構成，板鈦礦中的鈦氧八面體相對于理想的八面體也稍有變形，這一點與金紅石的結構類似。但是與銳鈦礦和金紅石相比，板鈦礦較難合成，且常含有雜相，報道相對較少。近來，一些課題組設計并制備出較高純度的板鈦礦TiO₂，這使得這類晶型的物理化學性能和潛在用途方面引起了人們的強烈興趣。但是這些方法大多是采用尿素溶劑制備板鈦礦相TiO₂，尿素用量大，所得產物形貌也以納米顆粒為主，由于納米顆粒尺寸小，在高度脫嵌鋰過程中，易發生團聚現象，從而引起容量的降低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種分級結構的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料及其制備方法和應用，所述制備方法所需原料常見易得，且制備工藝簡單、產量大，將制備的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料應用于制備鋰離子電池電極時，表現出優異的電化學性能。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種分級結構的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料的制備方法，它包括以下步驟：

1)將水和有機胺加入無水乙醇中，混合攪拌均勻，得混合液I；

2)將鈦酸異丁酯加入步驟1)所得混合液I中，充分攪拌，形成均勻的乳白色懸濁液，靜置得白色沉淀；

3)將水和氧化石墨烯加入乙醇中，混合均勻得混合液II，將步驟2)所得白色沉淀加入配制的混合液II中，超聲處理2～3h，再加入乙二胺，繼續進行超聲處理1～2h，得混合液III；

4)將步驟3)所得混合液III置于反應釜中，密閉后在自生壓力下進行恒溫晶化反應，待晶化反應完成后，進行離心分離，所得固體產物采用無水乙醇進行洗滌，即得所述的板鈦礦型氧化鈦/石墨烯復合材料。

根據上述方案，步驟1)中所述有機胺為油胺或十六胺。

根據上述方案，步驟1)所述的攪拌時間為1～3h，攪拌溫度為20～40℃，攪拌轉速為400～800r/min。

根據上述方案，所述鈦酸異丁酯與有機胺的體積比為11:(4～5)。