[發明專利]氮摻雜棒狀的氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合電極材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201610378914.0
• 申請日: 2016-05-31
• 公開（公告）號: CN106024416B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 朱建鋒;趙倩楠;湯祎;李學林;趙婷;王芬;牛冬娟
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: H01G11/48
• 分類號: H01G11/48;H01G11/30;H01G11/24;H01G11/86;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 弋才富

技術領域

本發明屬于納米功能材料制備技術領域以及電化學儲能材料制備技術領域，特別涉及一步法制備氮摻雜棒狀二氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合電極材料。

背景技術

二維層狀碳化鈦(MXene)是利用Ti₃AlC₂層間作用力的差異，通過一定的方法將Al層腐蝕而得到。由于其獨特的類石墨烯結構，較大的比表面積，良好的導電性等，使得其在吸附、光催化、生物傳感器、鋰離子電池、超級電容器等方面得到了廣泛的應用。特別是在超級電容器方面，與其他電極材料相比，具有優異的比容量和穩定性。 2011年，Wu等人通過將石墨烯在NH₃氣氛下熱處理，得到N-graphene, 實驗表明處理之后的N-graphene有高的電容和超高的速率性能。2015 年，Rakhi等人通過將Ti₂C-MXene在N₂/H₂氣氛中熱處理，實驗結果表明處理之后的Ti₂C-MXene的電化學性能比處理之前有很大的提升。

納米二氧化鈦具有很高的化學穩定性、熱穩定性、無毒性等，被廣泛應用于光催化觸媒、鋰電池等中。但是由于TiO₂的導電性較差，從而限制了其在電化學方面的應用。2012年，Lai等人通過將苯胺和 TiOSO₄溶液在150℃水熱處理6h得到了C/N-TiO₂，實驗表明 C/N-TiO₂在鋰離子電池中表現出了優良的電化學性能。2014年，Li 等人通過將TiO₂/graphene與尿素在Ar氣氛下煅燒，從而得到 N-TiO₂/N-graphene納米復合材料，實驗表明其在鋰離子電池中表現出了高的比容量和速率性能。而且大量研究表明氮摻雜的氧化鈦可以提高氧化鈦的導電性、潤濕性、以及增加其贗電容的活性位點。從而大大提高其電化學性能。

目前氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合材料還未有氮摻雜納米復合材料的報道，而且一般氮摻雜方式(如：氣氛處理、煅燒)大多采用兩步而且氮摻雜含量較低。

發明內容

為了解決以上技術問題，本發明的目的在于提供氮摻雜棒狀的氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合電極材料及其制備和應用，通過一步法制備氮摻雜棒狀氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合材料，并將其應用在電化學電容器上；該制備方法具有制備工藝簡單，氮摻雜含量高，氧化鈦形貌新穎等特點。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

氮摻雜棒狀的氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合電極材料，棒狀氧化鈦分布在片層表面和片層之間，其氮含量占原子總量百分數的 10-35％。

氮摻雜棒狀的氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一，取Ti₃C₂粉體50-100mg與50mL尿素水溶液攪拌混合 0.5-12h，尿素水溶液中尿素：水的質量比為1:(0.5-50)；

步驟二，將步驟一所得的溶液放入水熱釜中，在160℃—200℃下水熱12-24h，然后將反應后的粉體用去離子水和無水乙醇清洗數次，再放入40℃的真空烘箱中干燥，即得到活性材料—氮摻雜棒狀的氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合材料。

氮摻雜棒狀的氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合電極材料的應用，包括以下步驟：

步驟一，稱取1mg的PVDF粉末并分散在盛有320μL-480μL NMP溶劑的玻璃瓶中，低速磁力攪拌20min–40min至透明粘稠狀；

步驟二，將制備得到的活性材料—氮摻雜棒狀的氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合材料和導電碳黑加到步驟一中的粘稠液中，其中活性材料:導電炭黑:PVDF的質量比為(80-90):(5-15):(5-10)，攪拌1h–6h形成略帶粘稠的漿料，然后，量取所述漿料70μL均勻的滴到面積為1cm²的泡沫鎳上，放入真空烘箱中于120℃下烘干12h 得到干燥后的電極，然后在20MPa壓制處理下保壓1min，即得到氮摻雜棒狀氧化鈦/二維層狀碳化鈦納米復合材料電極。