[發明專利]同取向的納米晶粒組成的類單晶介孔氮氧化鈦納米線及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710055045.2
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106783235B
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 麥立強;董君;姜亞龍;魏湫龍;安琴友
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/36;H01G11/46;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發明涉及同取向的納米晶粒組成的類單晶介孔氮氧化鈦納米線及其制備方法，由直徑5?20nm的氮氧化鈦納米顆粒同取向搭接而成，所述的納米線長度為3?7微米，直徑為80?100nm，其內部具有豐富的介孔結構，介孔體積為0.08?0.16cm³/g，比表面積為30?70m²/g。通過調控燒結溫度實現不同程度的氧摻雜，使由同取向的納米晶粒組成的類單晶的介孔氮氧化鈦納米線具有更高的電化學活性。本發明的有益效果是：本發明通過巧妙的水熱?煅燒工藝結合方法合成了由同取向的納米晶粒組成的類單晶的介孔氮鈦氧納米線。具有明顯改善的高倍率性能和長循環壽命，是一種潛在的高性能鈉離子混合電容器負極材料。

技術領域

本發明屬于納米材料與電化學技術領域，具體涉及一種同取向的納米晶粒組成的類單晶介孔氮氧化鈦納米線及其制備方法，該材料可作為高功率長壽命鈉離子混合電容器負極材料。

背景技術

鋰離子電池作為一種綠色化學存儲器件，已廣泛應用于人們的日常生活，如手機、相機、筆記本等便攜設備，并逐步成為動力汽車電源的最佳選擇。值得注意的是，鋰資源在地球上儲量有限，日益增長的鋰需求使鋰資源不斷減少，進而使鋰資源的價格呈不斷上升趨勢。相對于鋰資源來言，鈉資源在地球上的儲量更豐富，因此價格更低。同時，由于鈉具有與鋰相似的物理和化學性質，鈉離子混合電容器可以如同鋰離子電池的一樣工作且穩定安全。因此，開發基于鈉離子混合電容器的儲能體系用來替代鋰離子混合電容器是當前低碳經濟時代研究的前沿和熱點之一。

電池的電化學性能很大部分取決于電極材料的性能。目前商業化的鋰離子電池的負極材料石墨碳，其容量較低并且不可作為鈉離子混合電容器的負極材料，因此開發一種高功率、長壽命的鈉離子混合電容器的負極材料具有廣闊的應用前景。

相對于鋰離子電池而言，鈉離子混合電容器的優勢在于其價格低廉，來源廣泛，但是鈉離子的離子半徑是鋰離子半徑的1.43倍，導致鈉離子具有更慢的離子擴散速率，因此一般的鈉離子混合電容器的負極材料具有較低的離子與電子擴散速率進而導致其倍率特性較差、功率密度較低，限制了其在便攜設備中的進一步發展以及在混合動力汽車中的應用。因此開發一種作為高容量、高功率、長的循環壽命的鈉離子混合電容器的負極材料成為目前亟待解決的關鍵問題。根據研究報道，納米材料具有高的比表面積以及更好的活性，作為電池電極材料時與電解液接觸面積大、離子脫嵌距離短，能有效提高材料的電化學活性，因此具有顯著的優勢。同時，納米結構有利于緩解循環過程中的應力釋放，穩定結構，獲得更長的循環壽命。因此，研究基于新型納米電極材料的大容量、高功率、長壽命、低成本鈉離子混合電容器是發展趨勢之一。

過渡金屬氮化物因具有高的電子導電性，被認為是潛在的電極材料。近年來，氮氧化鈦作為電容器電極材料已被逐步研究，但是其能量密度和循環性能均不佳，這主要是由于水系電解液具有低的電壓窗口，并且它在充放電過程中與電解液中的水發生反應。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術而提出一種同取向的納米晶粒組成的類單晶介孔氮氧化鈦納米線及其制備方法，其工藝簡單，所得的同取向的納米晶粒組成的類單晶介孔氮氧化鈦納米線負極材料具有優良的電化學性能。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：同取向的納米晶粒組成的類單晶介孔氮氧化鈦納米線，由直徑5-20nm的氮氧化鈦納米顆粒同取向搭接而成，所述的納米線長度為3-7微米，直徑為80-100nm，其內部具有豐富的介孔結構，介孔體積為0.08-0.16cm³/g，比表面積為30-70m²/g。通過調控燒結溫度實現不同程度的氧摻雜，使由同取向的納米晶粒組成的類單晶的介孔氮氧化鈦納米線具有更高的電化學活性。

所述的同取向的納米晶粒組成的類單晶介孔氮氧化鈦納米線的制備方法，包括有以下步驟：

1)將銳鈦礦二氧化鈦粉末加入到氫氧化鈉溶液中，磁力攪拌至混合均勻；