一種Ti2Nb10O29介孔微球及其製備方法與流程
2023-04-28 02:44:23
本發明屬於儲能材料技術領域，具體地說，涉及一種Ti2Nb10O29介孔微球及其製備方法。
背景技術：
隨著傳統化石能源的日益枯竭及其燃燒引發的環境汙染問題，尋求清潔的新型綠色能源成為人類追求的目標之一。鋰離子電池具有一系列的優點而備受人們的關注，已經被廣泛應用到各種小型電子產品中，當前正在向電動汽車、儲能等領域發展，其中在電動汽車上的發展前景很是讓人期待。當前商業化的石墨類碳負極材料由於其低的安全性和倍率性能，已經不能滿足電動汽車用電池的基本要求，因此，亟待尋找具有高安全性和高倍率性能的負極材料。
中科院陳立泉院士課題組於2012年首次報導了Ti2Nb10O29作為鋰離子電池負極材料表現出較好的電化學性能。Ti2Nb10O29的嵌脫鋰電位高(約1.65Vvs.Li+/Li)，不易引起鋰枝晶和固體電解質氧化膜的產生，安全性好；該材料存在著5電子轉移(Ti4+/Ti3+，Nb5+/Nb4+，Nb4+/Nb3+)而具有高的理論比容量(396mAh/g)。Ti2Nb10O29被認為是最具希望的大功率鋰離子動力型電池負極材料，受到學術界和產業界的廣泛關注。因此，研究Ti2Nb10O29介孔微球材料對於加快電動汽車用動力電池的發展具有非常重要的價值和意義。
技術實現要素：
本發明的目的是提供了一種Ti2Nb10O29介孔微球及其製備方法，本發明製備的Ti2Nb10O29介孔微球形貌均勻、存在大量介孔結構，用作鋰離子電池負極材料表現出優異的電化學性能。
本發明公開了一種Ti2Nb10O29介孔微球的製備方法，具體包括以下步驟：
1)將兩種或兩種以上的醇按比例混合，攪拌0.2-48小時得到混合液；
2)將鈮源和鈦源分別加入到步驟1)製得的所述混合液中，繼續攪拌1-24小時，其中溶液中鈮的濃度為0.01-12mol/L，鈦原子:鈮原子＝4.1:1-6.2:1；
3)將步驟2)所得溶液裝入不鏽鋼反應釜中，置於恆溫乾燥箱中，在60-280℃下加熱反應1-90小時，反應後冷卻至室溫，得到沉澱物；
4)將所得的所述沉澱物分別用去離子水和乙醇洗滌數次，然後在60-130℃下真空乾燥得到白色粉體；
5)將步驟4)所得的所述白色粉體在380-1350℃下焙燒1-80小時，即得Ti2Nb10O29介孔微球。
進一步的，所述步驟1)中的所述醇為乙醇、乙二醇、異丙醇、正丙醇、丙三醇、正丁醇、異丁醇、1,2-丙二醇、1,2,3-丙三醇中的一種或幾種。
進一步的，所述步驟2)中的所述鈮源為草酸鈮、乙醇鈮、五氯化鈮、氟化鈮、碘化鈮中的一種或幾種。
進一步的，所述步驟2)中的所述鈦源為草酸鈦鉀、四氯化鈦、四氟化鈦、四異丙醇鈦、硫酸鈦、鈦酸丁酯中的一種或幾種。
進一步的，所述步驟2)中鈦原子:鈮原子＝4.4:1-5.9:1。
進一步的，所述步驟3)中加熱溫度為90-240℃。
進一步的，所述步驟5)中焙燒溫度為450-1250℃。
本發明還提供一種由上述的製備方法製備得到的Ti2Nb10O29介孔微球。
進一步的，所述Ti2Nb10O29介孔微球含有大量介孔。
本發明具有如下有益效果：
1)本發明製備的Ti2Nb10O29介孔微球具有較大的比表面積和孔體積，增加了電極材料與電解液的接觸面積，用作鋰離子負極材料時具有較高的倍率循環性能、可逆容量及安全性能。
2)本發明具有工藝簡單、原料成本低和無毒無害等特點，有著極其廣泛的應用前景。
當然，實施本發明的任一產品必不一定需要同時達到以上所述的所有技術效果。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1是本發明實施例1製備Ti2Nb10O29介孔微球的XRD圖；
圖2是本發明實施例1製備Ti2Nb10O29介孔微球的掃描電鏡照片；
圖3是本發明實施例1製備Ti2Nb10O29介孔微球的電化學性能曲線圖。
具體實施方式
以下將配合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
實施例1
1)將乙醇與1,2,3-丙三醇按體積比3:1混合，攪拌48小時得到混合液；
2)將乙醇鈮和鈦酸丁酯按原子比鈦/鈮＝4.5:1分別加入到步驟1)製得的混合液中，繼續攪拌14小時，其中溶液中鈮的濃度為5.6mol/L，乙醇鈮是鈮源的一種，鈦酸丁酯為鈦源的一種；
3)將步驟2)所得溶液裝入不鏽鋼反應釜中，置於恆溫乾燥箱中，在150℃下加熱反應70小時，反應後冷卻至室溫，得到沉澱物；
4)將所得沉澱物分別用去離子水和乙醇洗滌數次，然後在73℃下真空乾燥得到白色粉體；
5)將步驟4)所得白色粉體在1250℃下焙燒1小時，即得Ti2Nb10O29介孔微球。
通過實施例1製備得到Ti2Nb10O29介孔微球的XRD圖如圖1所示，樣品的衍射峰與PDF卡片中Ti2Nb10O29的標準衍射峰相吻合，沒有發現雜質峰，說明樣品較純。通過實施例1製備得到的Ti2Nb10O29介孔微球的掃描電鏡照片如圖2所示，樣品呈現出均勻的微球，並且微球的表面可以觀察到明顯的大量介孔。通過實施例1製備得到的Ti2Nb10O29介孔微球的電化學性能曲線圖如圖3所示，樣品展現出較好的倍率循環性能，在10C倍率下經過1000次循環後的放電比容量仍能保持在150mAh/g左右。
實施例2
1)將異丙醇與1,2-丙二醇按體積比1:1混合，攪拌20小時得到混合液；
2)將草酸鈮和硫酸鈦按原子比鈦/鈮＝5.4:1分別加入到步驟1)製得的混合液中，繼續攪拌1小時，其中溶液中鈮的濃度為0.5mol/L，草酸鈮是鈮源的一種，硫酸鈦為鈦源的一種；
3)將步驟2)所得溶液裝入不鏽鋼反應釜中，置於恆溫乾燥箱中，在90℃下加熱反應90小時，反應後冷卻至室溫，得到沉澱物；
4)將所得沉澱物分別用去離子水和乙醇洗滌數次，然後在120℃下真空乾燥得到白色粉體；
5)將步驟4)所得白色粉體在670℃下焙燒56小時，即得Ti2Nb10O29介孔微球。
實施例3
1)將乙二醇與丙三醇按體積比1:2混合，攪拌24小時得到混合液；
2)將碘化鈮和四氟化鈦按原子比鈦/鈮＝5.2:1分別加入到步驟1)製得的混合液中，繼續攪拌17小時，其中溶液中鈮的濃度為0.5mol/L，碘化鈮是鈮源的一種，四氟化鈦為鈦源的一種；
3)將步驟2)所得溶液裝入不鏽鋼反應釜中，置於恆溫乾燥箱中，在240℃下加熱反應60小時，反應後冷卻至室溫，得到沉澱物；
4)反應後冷卻至室溫，將所得沉澱物分別用去離子水和乙醇洗滌數次，然後在60℃下真空乾燥得到白色粉體；
5)將步驟4)所得白色粉體在810℃下焙燒27小時，即得Ti2Nb10O29介孔微球。
實施例4
1)將正丙醇、正丁醇和1,2-丙二醇按體積比1:1:1混合，攪拌32小時得到混合液；
2)將氟化鈮和四氯化鈦按原子比鈦/鈮＝5.9:1分別加入到步驟1)製得的混合液中，繼續攪拌9小時，其中溶液中鈮的濃度為0.01mol/L，氟化鈮是鈮源的一種，四氯化鈦為鈦源的一種；
3)將步驟2)所得溶液裝入不鏽鋼反應釜中，置於恆溫乾燥箱中，在220℃下加熱反應32小時，反應後冷卻至室溫，得到沉澱物；
4)反應後冷卻至室溫，將所得沉澱物分別用去離子水和乙醇洗滌數次，然後在130℃下真空乾燥得到白色粉體；
5)將步驟4)所得白色粉體在450℃下焙燒77小時，即得Ti2Nb10O29介孔微球。
實施例5
1)將乙二醇、異丁醇和丙三醇按體積比1:2:1混合，攪拌0.2小時得到混合液；
2)將乙醇鈮和鈦酸丁酯按原子比鈦/鈮＝5.15:1分別加入到步驟1)製得的混合液中，繼續攪拌7小時，其中溶液中鈮的濃度為1.3mol/L，乙醇鈮是鈮源的一種，鈦酸丁酯為鈦源的一種；
3)將步驟2)所得溶液裝入不鏽鋼反應釜中，置於恆溫乾燥箱中，在170℃下加熱反應20小時，反應後冷卻至室溫，得到沉澱物；
4)反應後冷卻至室溫，將所得沉澱物分別用去離子水和乙醇洗滌數次，然後在82℃下真空乾燥得到白色粉體；
5)將步驟4)所得白色粉體在830℃下焙燒50小時，即得Ti2Nb10O29介孔微球。
實施例2至實施例5的測試結果與實施例1的測試結果接近，在此不再贅述。
本發明具有如下有益效果：
1)本發明製備的Ti2Nb10O29介孔微球具有較大的比表面積和孔體積，增加了電極材料與電解液的接觸面積，用作鋰離子負極材料時具有較高的倍率循環性能、可逆容量及安全性能。
2)本發明具有工藝簡單、原料成本低和無毒無害等特點，有著極其廣泛的應用前景。
當然，實施本發明的任一產品必不一定需要同時達到以上所述的所有技術效果。
如在說明書及權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定成分或方法。本領域技術人員應可理解，不同地區可能會用不同名詞來稱呼同一個成分。本說明書及權利要求並不以名稱的差異來作為區分成分的方式。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的「包含」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。「大致」是指在可接收的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。說明書後續描述為實施本發明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本發明的一般原則為目的，並非用以限定本發明的範圍。本發明的保護範圍當視所附權利要求所界定者為準。
還需要說明的是，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的商品或者系統不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種商品或者系統所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的商品或者系統中還存在另外的相同要素。
上述說明示出並描述了本發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本發明並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文所述發明構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和範圍，則都應在本發明所附權利要求的保護範圍內。