[發明專利]一種碳包覆磷酸鈦鈉及其制備和應用

有效

• 申請號: 201810365619.0
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108766772B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 王苗;潘麗坤;張孝杰;陸婷
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;C02F1/469
• 代理公司: 31215 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 徐筱梅;張翔<國際申請>=<國際公布>=

本發明公開了一種碳包覆磷酸鈦鈉及其制備和應用，其特點是以50～1000nm的磷酸鈦鈉顆粒及包覆在其表面碳框架構成一種用于制作電極的復合材料，其制備包括：框架模板的制備、框架模板的碳化、前驅體的制備、前驅體的碳化等步驟；將碳包覆磷酸鈦鈉與聚偏四氟乙烯和Super?P導電劑混合后分散于1?甲基吡咯烷酮中制成漿料，均勻涂布在石墨紙上，干燥后制得電容去離子的負極極材料。本發明與現有技術相比具有脫鹽量和電荷效率高，循環性能和化學穩定性優良、長循環壽命等優點，制備簡單、成本低廉，易于實現工業規模化應用。

技術領域

本發明涉及電容電極材料技術領域，具體地說是一種用于電容去離子負極材料的碳包覆磷酸鈦鈉及其制備和應用。

背景技術

當人類社會步入21世紀后，淡水資源短缺的問題日趨嚴峻，甚至影響到許多國家的發展，這主要是因為，一、人口爆炸和工業化進程加速，二、淡水資源的分布又極其不均衡。雖然淡水資源十分短缺，但是，地球上卻擁有著豐富的海水及苦咸水資源，因此，對這類含鹽水資源進行脫鹽成為解決淡水資源匱乏的一個有效途徑，一系列的脫鹽技術也響應這種需求而產生，其中，電容去離子（Capacitive deionization， CDI）技術，因為其能耗低、無二次污染等優點備受關注。一般來說，這一技術的實施過程為：當含鹽水經過一對外加電壓的電極時，水中的離子會被吸附到具有相反電荷的電極上，達到除鹽的效果，當吸附達到平衡后，通過短接或施加反向電壓可以實現電極的再生。

電容去離子器件中通常使用多孔炭材料作為電極，如活性炭、碳氣凝膠、碳納米管、石墨烯等，這是因為這類多孔碳材料具有比表面積高、導電性好、化學穩定性優良的特點。但是，這類多孔炭電極材料吸附離子主要是通過雙電層原理，大量實現結果表明，基于雙電層原理的電極材料，雖然具有吸附-脫附離子迅速的特點，但其吸附離子的能力有限，特別是相對于用于離子電池的電極材料。因此，通過在CDI模塊中引入電池電極材料，組成一對由電池電極和雙電層電極構造的CDI模塊，既能發揮雙電層電極快速吸附離子的優勢，又能通過電池電極提高吸附離子的能力。

在大量的電池電極材料中，磷酸鈦鈉作為一種缺鈉的負極材料，具有比容量高、化學穩定性強、制備簡單且環境友好等特點，但其存在著導電性差的缺點，嚴重限制約該材料的廣泛應用。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足而提供的一種碳包覆磷酸鈦鈉及其制備和電極材料應用，采用炭化的金屬有機框架化合物（Metal-organic frameworks， MOF）為鈦源，制備以立方體結構聚集的100～1000 nm碳微粒包覆磷酸鈦鈉的電極復合材料，納米炭粒既能提高磷酸鈦鈉的導電性，又能避免磷酸鈦鈉的團聚，使得制備的磷酸鈦鈉顆粒更小，從而縮短了吸附過程中鈉離子的傳輸路徑，得到的磷酸鈦鈉被用作電極材料和活性炭組成不對稱的CDI模塊時，其脫鹽能力可達到127 mg/g，具有比容量高、循環性能優良等優點，制備方法簡單、成本低廉，易于實現工業規模化應用。

實現本發明目的的技術方案是：一種碳包覆磷酸鈦鈉，其特點是以50～1000nm的磷酸鈦鈉顆粒及包覆在其表面碳框架構成一種用于制作電極的復合材料，所述碳框架為餅狀；所述磷酸鈦鈉顆粒為完整或不完整的六面體結構。

一種碳包覆磷酸鈦鈉的制備，其特點是該制備具體包括以下步驟：

a、框架模板的制備

將鈦源與對苯二甲酸、無水甲醇和N, N-二甲基甲酰胺按1g：1.5～4.0g：0.1～120mL :120～240mL質量體積比混合，在100～200℃溫度下水熱反應12～48h，反應液經離心分離后用N, N-二甲基甲酰胺和無水甲醇分別清洗3次，制得的有機無機雜化物為金屬有機框架模板；所述鈦源為鈦酸四丁酯或乙酰丙酮氧鈦。

b、框架模板的碳化

將上述制備的金屬有機框架模板在惰性氣體保護和400～1000℃溫度下碳化處理1~10h，得到碳化的金屬有機框架模板，所述碳化升溫速率為1～20℃/min。