[发明专利]一种富含三价钛缺陷的二氧化钛材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种富含三价钛缺陷的二氧化钛片层材料的制备方法。使用正丙醇、钛酸四丁酯、氢氟酸和氧化石墨烯作为原料，通过溶剂热法进行合成。合成过程中，氢氟酸为表面活性剂，能促进三价钛缺陷和片层结构的形成；氧化石墨烯为添加剂，改善了所制备材料的导电性，也进一步促使了三价钛缺陷的形成；同时，我们应用冷冻干燥技术进行材料的干燥，可以保持原来的结构不发生坍塌，结构疏松，比表面积比大。因此，将该材料用于锂离子电池负极，相比于商用二氧化钛P25，我们的材料呈片层状且富含三价钛缺陷，具有较大的比表面积，不仅有利于提高电子传输速度，还有利于促进锂离子的快速脱嵌，提高了锂离子电池的倍率性能和可逆容量。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种富含三价钛缺陷的二氧化钛纳米材料的制备方法，该材料可作为锂离子电池负极材料。

背景技术

TiO₂作为锂离子电池负极材料，其理论容量与传统石墨电极相当，反应前后的体积变化不明显（约为3%），可提高锂离子电池安全性能和循环寿命；再次，TiO₂具有较高的嵌锂电位（1.7V vs. Li⁺/Li），可避免因SEI膜形成时活性物质和电解质的消耗，减少了不可逆容量损失；最后，TiO₂化学性质很稳定、无毒、无环境污染。但是，TiO₂的导电性较差，使得活性材料与电解液间的界面电阻较大。为了提升其导电性，我们在制备过程中加入了一定量的氢氟酸作为表面活性剂和少量的氧化石墨烯作为添加剂，制备出的二氧化钛为富含三价钛缺陷的超薄纳米片层黑色二氧化钛。目前已报道的制备含有三价钛缺陷的二氧化钛的方法主要有化学气相沉积，高能激光、电子或氩离子轰击。这些方法一般都高能耗、多步骤、合成条件苛刻或设备昂贵，而我们使用的溶剂热法相对简单而且易于控制。专利1（CN105126796A，公布日2015年12月9日）也公开了使用溶剂热法合成含有三价钛缺陷的二氧化钛的制备方法，但是，我们所公开的制备方法的最大的优势为我们使用了氧化石墨烯作为添加剂，最终得到的有利效果是显著提高了三价钛缺陷的含量，同时氧化石墨烯作为成核位点，缩短了合成时间；而且，相比于专利1，我们使用了冷冻干燥技术，既确保了材料结构不会因为干燥而坍塌，又使得材料疏松多孔，更有利于锂离子的快速脱嵌。

发明内容

本发明的目的是制备一种富含三价钛缺陷的二氧化钛片层材料，该材料可以应用于锂离子电池负极。本发明提供的方法是采用一步溶剂热法，将配制的混合溶液放入高压反应釜中反应制备富含三价钛缺陷的二氧化钛片层材料。具体的制备方法包括如下步骤：

（1）用量筒称量25~30 ml正丙醇加入到带有磁子的烧杯中，用移液枪依次加入2~3ml钛酸四丁酯和0.8~1ml氢氟酸，将得到的混合溶液在室温下磁力搅拌，搅拌过程中用移液枪加入1~1.5 ml的氧化石墨烯溶胶，磁力搅拌5~15 min；

（2）将混合溶液放入到反应釜中，在180~200℃下反应6~24 h；

（3）将反应所得到的沉淀用去离子水和乙醇以一定的转速离心洗涤3~5次；

（4）使用冷冻干燥机在-40~-50℃、30~40 Pa下对离心过后的材料冷冻干燥18~24h便可得到富含三价钛的二氧化钛片层材料。