一種碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的制備方法及應(yīng)用，屬于鋰離子電池電極材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于以石油和煤為主的化石燃料的不斷消耗，以及對于環(huán)境污染的不斷加重。越來越多的人將目光投向新能源技術(shù)，鋰電池是其中的一個重要方向。然而商業(yè)化的石墨電池由于其嵌鋰電壓低，容易形成鋰枝晶，會引發(fā)嚴重的安全問題。而二氧化鈦由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，自然界含量豐富，成為潛在的取代傳統(tǒng)石墨電極的新型鋰離子電池負極材料之一。
[0003]但是二氧化鈦由于是半導(dǎo)體，電子傳導(dǎo)能力差，導(dǎo)致其放電容量只有本身理論容量的一半?，F(xiàn)在國際上的研究人員通常是將其納米化或是加入金屬元素，金屬氧化物等方法提高其導(dǎo)電性，從而提高其容量。但是這些傳統(tǒng)方法實驗過程復(fù)雜，重復(fù)性差，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明僅僅利用水熱法，制備了負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片，碳層作為中間層，既起到了電子傳導(dǎo)作用，提高了復(fù)合物的導(dǎo)電能力，又在充放電過程中維持了二氧化鈦和三氧化二鐵的形態(tài)，提高了復(fù)合物的穩(wěn)定性，從而提高了鋰電池在充放電過程中的放電比容量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的制備方法，
具體包括以下步驟:
(1)制備二氧化鈦納米管組成的納米片:去除純鈦片表面的雜質(zhì)得到干凈的純鈦片，按48?101g/L的比例將干凈的純鈦片加入到強堿溶液中，在200?220°C的溫度下反應(yīng)12?24h，然后將純鈦片取出在酸溶液中浸泡2?4h后，然后用蒸饋水和乙醇分別洗滌3?5次，最后在空氣中500?700°C溫度下退火2?4h，得到二氧化鈦納米管組成的納米片；
(2)制備碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片:按1.8?9g/L的比例將步驟(1)制備得到的二氧化鈦納米管組成的納米片投入0.01?0.05 mol/L的葡萄糖溶液中，在180?190°C條件下反應(yīng)18?24h ;取出納米片在惰性氣氛保護條件下在480?500°C下反應(yīng)3?5h得到碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片，其中升溫速度為10?15°C /min ;
(3)制備二氧化錳包覆的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片:按4.74?9.68g/L的比例將步驟(2)制備得到的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片浸泡在0.03?0.06 mol/L的高錳酸鉀溶液中16?24h，用蒸餾水洗滌3?5次，得到二氧化錳包覆的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片；
(4)制備負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片:按1.80?5.56g/L的比例將步驟(3)制備得到的二氧化錳包覆的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片投入0.01?0.02 mol/L的含鐵鹽溶液中，在惰性氣氛保護條件下在120?130°C的溫度下反應(yīng)12?24h ;然后在惰性氣氛保護條件下在450?500°C退火3?5h，得到負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片，其中在惰性氣氛保護條件下升溫速度為1?5°C /min。
[0005]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(1)中所述的鈦片的厚度為0.1?0.2mm，所述鈦片的純度為彡 99.7%。
[0006]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(1)中所述去除純鈦片表面的雜質(zhì)，具體步驟為:在室溫下將純鈦片在丙酮、無水乙醇、蒸餾水中分別以25kHz各超聲震蕩15min?20min，得到干凈的純鈦片。
[0007]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(2 )中所述的強堿溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，其中所述堿溶液中堿的濃度為1.2?1.8mol/Lo
[0008]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(2)所述酸溶液為稀鹽酸，其中所述酸溶液濃度為0.3?0.6mol/L ο
[0009]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(4)中所述的含鐵鹽溶液為硫酸亞鐵和硝酸亞鐵溶液。
[0010]本發(fā)明所述方法制備得到的負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片可以作為鋰電池陽極材料。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:
(1)本發(fā)明制備的負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片做為鋰電池陽極材料顯示出了良好的電化學(xué)性能:
(2)在0.1C (33.mAg 3的電流密度下，負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的鋰電池的充放電容量得到明顯的提高；
(3)在相同的測試條件下，負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性更佳；
(4)本發(fā)明利用水熱方法制備出負載三氧化二鐵的碳包覆的二氧化鈦納米管組成的納米片電極材料，該方法操作簡單，成本低，在制備過程中對環(huán)境污染程度低，并且制備出的電極材料在鋰離子電池中表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能，其負載物質(zhì)與基體具有良好的結(jié)合強度，有利于其工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。
【附圖說明】
[0012]圖1為實施實例1合成的二氧化鈦納米管組成的納米片的SEM圖；
圖2為實施實例1合成的二氧化鈦納米管組成的納米片的TEM (a)和(b)圖；
圖3為實施實例1合成的負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的SEM 圖；
圖4為實施實例1合成的負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的XRD 圖；
圖5為實施實例1合成的負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片的XPS 圖:(a)全譜圖(b)Cls ；
圖6為實施實例1合成的負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片(a)和二氧化鈦納米管組成的納米片(b)在0.1C (33mAg 1?3V的測試條件下充放電曲線圖；
圖7為實施實例1合成的負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片和二氧化鈦納米管組成的納米片在0.1C (33mAg 1?3V測試條件下的30次循環(huán)充放電圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0014]實施例1
(1)將純鈦片剪成3cmX 8cm的鈦片，依次在丙酮、無水乙醇、蒸餾水中以25kHz分別各超聲震蕩15min，去除純鈦片表面的油脂，得到干凈的純鈦片，按80g/L的比例將干凈的純鈦片與1.2 mol/L的氫氧化鈉溶液一起放入100ml的反應(yīng)爸中，在200°C下反應(yīng)24h后取出，在0.5 mol/L稀鹽酸溶液中浸泡3h后取出，分別用蒸餾水和酒精洗滌3次，最后在空氣中500°C退火3h，得到二氧化鈦納米管組成的納米片。
[0015](2)按5g/L的比例將步驟(1)制備得到的二氧化鈦納米管組成的納米片與0.03mol/L葡萄糖溶液一起放入100ml的反應(yīng)釜中，在180°C下反應(yīng)18h后，然后在氬氣氣氛中以10°C /min升溫到480°C，保溫3h碳化后，得到碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片。
[0016](3)按6g/L的比例將步驟(2)制備得到的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片浸泡在0.03mol/L的高錳酸鉀溶液中18h后，用蒸餾水洗滌3次，得到二氧化錳包覆的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片。
[0017](4)按1.80g/L的比例將步驟(3)制備得到的二氧化錳包覆的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片與0.01mol/L的硫酸亞鐵溶液一起放入反應(yīng)釜中，在120°C下反應(yīng)12h后，然后在氬氣氣氛中以1°C /min升溫到500°C保溫3h后，得到負載三氧化二鐵的碳包覆二氧化鈦納米管組成的納米片。
[0018]圖1是本實施例二氧化鈦納米管組成的納米片的Sffl圖，由圖1可以看出，水熱法制備的二氧化鈦納米片呈卷曲狀分布在鈦基上。圖2是本實施例二氧化鈦納米管組成的納米片的TEM圖，由圖2可以看出，二氧化鈦納米片是由二氧化鈦納米管組成的。圖