[發明專利]一種混合相鈮鈦氧化物及其制備方法與儲能應用

在審

• 申請號: 202111198879.1
• 申請日: 2021-10-14
• 公開（公告）號: CN113772728A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 余翠平;王巖;吳玉程;張劍芳;崔接武;秦永強;舒霞;張勇
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C01G33/00
• 分類號: C01G33/00;C01G23/053;B82Y40/00;B82Y30/00;H01G11/86;H01G11/46;H01G11/50
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了一種混合相鈮鈦氧化物及其制備方法與儲能應用，是首先配制含有金屬鈮鹽、金屬鈦鹽的混合溶液，通過溶劑熱法制備結晶度低的鈮鈦前驅體，然后通過高溫煅燒獲得結晶度高且形貌、物相均可調控的混合相鈮鈦氧化物。本發明所得混合相鈮鈦氧化物能夠應用于制備鋰離子電容器等電化學儲能器件的電極材料，其中各物相的協同儲能作用可進一步提高材料的電化學性能；本發明的制備方法簡單、成本低、過程易于控制，可以批量化生產。

技術領域

本發明屬于納米功能材料的制備領域，具體涉及一種混合相鈮鈦氧化物及其制備方法與儲能應用。

背景技術

近年來，憑借其物理化學性質優異、結構組成豐富、無毒性及來源豐富等優勢，鈮鈦氧化物在電化學儲能、環境催化、氣體傳感等領域得到了廣泛的關注。特別是應用在電化學儲能時，具有高工作電位及理論容量的脫嵌型鈮鈦氧化物是理想的負極材料：首先，鈮鈦氧化物快速的離子嵌入/脫嵌過程能夠有效彌補儲能器件內部電化學反應動力學的差異；其次，鈮鈦氧化物相對較高的工作電位可同時避免SEI膜以及鋰枝晶的形成，從而確保了電極的安全性；再者，鈮鈦氧化物可提供較寬的離子擴散通道，因此使其在離子嵌脫前后結構不變，有利于增強鈮鈦氧化物的結構穩定性和循環穩定性。然而，鈮鈦氧化物較低的本征離子遷移率和電導率嚴重影響了其倍率性能，從而制約了其在電化學儲能領域的廣泛應用。

在鈮鈦氧化物結構組成豐富的基礎上，進一步構筑混合相鈮鈦氧化物是提高其電化學性能的有效手段之一。相比于單一物相，混合物相可提供更多的氧化還原電對及活性中心，并充分利用各物相組分的儲能特性，通過協同作用可進一步提高活性材料的電化學性能。然而目前已報道的類似的鈮鈦氧化物通常涉及到較復雜的制備工藝，所以探索鈮鈦氧化物的簡易制備方法并實現其形貌、物相、性能的系統調控對進一步提高其電化學性能、擴展其應用領域具有舉足輕重的作用。

發明內容

基于上述現有技術所存在的問題，本發明公開了一種混合相鈮鈦氧化物及其制備方法與儲能應用，旨在通過簡單的方法獲得形貌、物相及性能均可調控的高性能電化學儲能材料。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明公開了一種混合相鈮鈦氧化物的制備方法，其特點在于：首先配制含有金屬鈮鹽、金屬鈦鹽的混合溶液，通過溶劑熱法制備前驅體，然后通過高溫煅燒獲得結晶度高且形貌、物相均可調控的混合相鈮鈦氧化物。具體包含如下步驟：

(1)溶劑熱法制備前驅體：稱取0～5.0mmol金屬鈮鹽、0～1.2mmol金屬鈦鹽溶于5～50mL有機溶劑中，獲得溶液A；稱取0.3～10mmol六亞甲基四胺溶解于50～150mL去離子水中，獲得溶液B；將溶液B加入溶液A中，混合均勻后進行溶劑熱反應，溶劑熱溫度為100～200℃、保溫時間為5～60h，然后離心、水洗、干燥，收集粉末產物，獲得前驅體；

(2)高溫煅燒制備混合相鈮鈦氧化物：將所述前驅體置于管式爐中，在氬氣保護下進行高溫煅燒，其中煅燒溫度為500～900℃、保溫時間為30～600min、升溫速率為0.5～10℃min^-1，煅燒結束后自然冷卻至室溫，即獲得混合相鈮鈦氧化物。

進一步地，所述金屬鈮鹽為氯化鈮、草酸鈮和草酸鈮銨中的至少一種，所述金屬鈦鹽為異丙醇鈦、硫酸氧鈦、四氯化鈦、鈦酸四丁酯和鈦酸正丁酯中的至少一種。

進一步地，步驟(1)中所述有機溶劑為乙醇、甲醇、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一種或任意幾種的混合。

本發明的上述方法，通過調控金屬鈮鹽和金屬鈦鹽的摩爾比，可調控所得混合相鈮鈦氧化物的形貌和物相組成，從而調控所得混合相鈮鈦氧化物的電化學儲能特性。

本發明所述的混合相鈮鈦氧化物可作為鋰離子電容器、鋰離子電池、鈉離子電池等電化學儲能材料的電極材料，如作為鋰離子電容器的電極材料展現出較高的比容量及優異的倍率性能。此外，本發明所述的混合相鈮鈦氧化物在催化、傳感等領域同樣具備較大的應用潛力。