一種二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料及其應用
【專利說明】
(一)
技術領域
[0001]本發明涉及一種二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料及其作為鋰離子電池負極材料的應用。
(二)
【背景技術】
[0002]二維碳化鈦材料是美國Drexel大學Barsoum課題組在2011年合成出來的新型二維層狀過渡金屬C/N化合物。該二維碳化鈦材料的單層層片厚度小于I納米，而橫向尺寸可達10微米，電阻率與石墨烯相近，導電性能良好。目前科研人員制備二維碳化鈦材料主要是通過HF酸剝離鈦銷碳材料而得到。例如Michael Naguib等所報道的Two-Dimens1nalNanocrystals Produced by Exfoliat1n of Ti3AlC2 (Adv.Mater.2011, 23, 4248 - 4253)o
[0003]迄今為止，對二維碳化鈦材料的研宄主要是在理論研宄方面，實際應用較少，特別是在鋰離子電池領域中的應用。而現在商業化鋰離子電池理論比容量雖可達250Wh/kg，但受負極材料制備工藝繁瑣、安全性差、比容量低、衰減快等因素限制，以常規碳材料(理論比容量僅為372mAh/g)為負極所構建的鋰離子電池實際比容量僅為120?200Wh/kg，直接制約了鋰離子電池在大容量、大功率等領域的大規模應用。
(三)
【發明內容】
[0004]本發明的發明目的是提供一種二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料及其作為鋰離子電池負極材料的應用。
[0005]下面具體說明本發明的技術方案。
[0006]本發明提供了一種二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料，包括二維層狀碳化鈦載體以及負載在載體表面和層間的金屬離子復合物；其制備方法包括如下步驟:
[0007](I)取Ti3AlC2材料，用氫氟酸溶液處理得到Ti 3C2粉末；
[0008](2)將步驟(I)得到的Ti3C2粉末進行堿處理，得到堿處理后的Ti 3C2粉末；
[0009](3)將堿處理后的Ti3C2粉末采用以下方法a或方法b進行處理得到二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料:
[0010]方法a:將堿處理后的Ti3C2粉末浸泡在金屬鹽溶液中，同時加入表面活性劑浸泡
0.5?72h (優選1-36小時，更優選I?24h)，然后離心、水洗至中性、干燥得到二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料；
[0011]方法b:將堿處理后的Ti3C2粉末先在含有表面活性劑的水中浸泡0.1?48h (優選1-36小時，更優選3?16h)，再在含表面活性劑的水中加入金屬鹽，繼續浸泡0.1?48h (優選1-36小時，更優選I?24h);然后離心、水洗至中性、干燥得到二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料；
[0012]所述的金屬鹽是鐵、鎳、錫、鈷、銅或鉛的可溶性鹽，優選其純度大于90% ;
[0013]所述的表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基苯磺酸鈉(CTAB)中一種或任意幾種的組合，優選其純度大于90%。
[0014]進一步，步驟(I)的具體操作為:稱取Ti3AlC2材料，加入到質量分數為10?80%HF溶液中，浸泡I?48h，然后離心、水洗至中性、干燥得到Ti3C2粉末。
[0015]進一步，步驟⑵的具體操作為:將Ti3C2粉末在堿溶液中浸泡0.1?48h (優選5?30h)，然后離心、水洗至中性、干燥得到堿處理后的Ti3C2粉末(alk-Ti 3C2)。
[0016]更進一步，所述的堿溶液為氫氧化鈉，氫氧化鉀，氫氧化鋰等普通常見的堿的溶液。所用堿溶液的濃度為0.05?20mol/L，優選0.1?5mol/L0
[0017]進一步，步驟(3)中的金屬鹽可以是金屬的氯化鹽、硝酸鹽、硫酸鹽等。
[0018]進一步，步驟(3)中，方法a或方法b中，金屬鹽的加入量為0.05?10mol/L ;表面活性劑的加入量為0.01-25g/L，優選為0.1?15g/L。
[0019]上述步驟(I)至步驟(3)中，浸泡均在室溫下進行。
[0020]本發明提供了所述二維層狀碳化鈦/金屬離子復合物復合材料作為鋰離子電池負極材料的應用。
[0021]與現有技術相比，本發明的有益效果主要體現在:本發明制備方法簡單，利用二維碳化鈦材料優良的導電性、具有豐富的表面活性基團等優點，通過對二維碳化鈦材料進行堿化處理，并在表面活性劑的作用下使金屬離子復合物均勻負載在碳化鈦的表面，部分進入到二維碳化鈦層間，可控制備出二維碳化鈦/金屬離子復合材料，大幅度提升鋰離子電池負極材料的容量，循環性能好，從而滿足高容量以及在大電流密度下持續充放電的能力。
(四)
【附圖說明】
[0022]圖1是實施例1所負載金屬離子之后的二維Ti3C2XRD圖。
[0023]圖2是實施例1所負載金屬離子之后的二維Ti3C2SEM圖。
[0024]圖3是實施例1所制備的二維層狀碳化鈦/金屬離子復合材料的循環性能圖。
[0025]圖4是實施例1負載金屬離子前后的二維Ti3C2XRD對比圖，根據布拉格方程，XRD峰中的角度Θ越小，就說明層間距d越大，所以由對比圖可知，當金屬離子浸泡后，層間距變大，就說明了金屬離子進入到層間。
[0026](五)具體實施方法
[0027]下面以具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明，但本發明的保護范圍不限于此。
[0028]實施例1
[0029]取Ig Ti3AlC2粉末到塑料燒杯中，加入20ml質量分數為10%的HF溶液，浸泡2h。然后將浸泡之后的粉末離心出來，用去離子水洗至中性，在80°C的鼓風烘箱中烘6h。將烘干后的Ti3C2粉末，在0.lmol/L的氫氧化鈉溶液中浸泡8h，離心，用去離子水清洗至中性，烘干。再將Ti3C2粉末浸泡在0.05mol/L的硝酸鎳10ml溶液中，加入0.0lg表面活性劑PVP (聚乙烯吡咯烷酮)浸泡12h，離心，洗至中性，烘干。
[0030]用實施例1所制得的二維Ti3C2/金屬離子復合材料粉末按下述方法制成電極。
[0031]以80:10:10的質量比分別稱取Ti3C2/金屬離子復合材料:super_P:PVDF，研磨均勻后制成電極，金屬鋰片為正極，電解液為lmol/L LiPF6/EC - DMC (1:1)，聚丙烯微孔薄膜為隔膜，組裝成模擬鋰離子電池。圖3為相應電池在100ma/g電流密