[发明专利]一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用

说明书

一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用，它涉及一种二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有的碳化钛Ti₃C₂T_x与硫复合方法存在热处理融熔法耗时长，方法复杂和分散不均匀的问题。方法：一、制备二维层状碳化钛纳米片；二、复合，得到纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料。本发明制备的纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料不需要任何粘结剂，不仅简化了制备工艺，还降低了生产成本。以本发明制备的纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料作为正极材料组装锂硫电池循环150圈后，电容的保持率仍接近100％。本发明可获得一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料。

技术领域

本发明涉及一种二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用。

背景技术

二维纳米材料因其在光学、电化学、催化等领域表现出的巨大应用潜能成为纳米材料领域研究的热点。作为新兴的二维纳米材料MXenes家族的典型代表，二维层状碳化钛Ti₃C₂T_x(T代表-O、-OH、-F、-Cl等官能团)为极性材料，具有非常好的导电性、表面亲水性和抗氧化性。特别是Ti₃C₂T_x表面的-OH，-O和-F等官能团(其成分和比例是由合成条件决定的)，与锂硫电池充放电过程中的产物LiPSs之间存在很好的Lewis酸碱作用，可以很好地锚定LiPSs，因此采用硫/二维层状碳化钛Ti₃C₂T_x复合材料作为正极材料是解决锂硫电池中LiPSs溶解问题的有效策略之一。

由于二维层状碳化钛Ti₃C₂T_x属于新兴材料，因而利用其作为硫载体的报道尚屈指可数。迄今为止，仅有Nazar课题组(Angew.Chem.Int.Ed.54,3907-3911)和Chen课题组(J.Mater.Chem.A 3,7870-7876)的工作报道。两个课题组均通过氢氟酸腐蚀碳铝钛获得手风琴状碳化钛Ti₃C₂T_x，然后利用热处理融熔法使碳化钛与单质硫复合，即通过在155℃环境下的长时间恒温加热使单质硫融化流入到Ti₃C₂T_x片层间空隙。Nazar课题组的退火时间为整夜，Chen课题组的退火时间为24小时，不仅耗时长，对人力、物力和财力资源造成浪费，而且如此长时间的加热过程，一旦保护气氛稍有破坏，就会导致碳化钛和硫的严重氧化，从而大大降低电极材料的性能。加之，手风琴状碳化钛不利于单质硫的均匀填充。因为手风琴状碳化钛片与片之间只有一侧是开放的，单质硫只能从这一侧进入到不同片的间隔区。而且间隔区的开口大小各有不同，热处理融熔法不能使所有间隔区都得到很好的填充，因而很难发挥二维层状碳化钛对多硫化物强有力的锚定作用，获得良好的循环稳定性。Nazar课题组循环100圈后电容的保持率为77％(C/2)和60％(C)，Chen课题组循环100圈后电容的保持率为77％(200mA/g)。而且，氢氟酸刻蚀的手风琴状碳化钛片层堆叠、层间距较小，在储能领域的应用受到严重限制。同时，氢氟酸的使用存在重大安全隐患。因此，寻求更为简单易行且行之有效的单质硫与二维层状碳化钛的复合方法具有重要的实际意义和商业价值。

发明内容

本发明的目的是要解决现有的碳化钛Ti₃C₂T_x与硫复合方法存在热处理融熔法耗时长，方法复杂和分散不均匀的问题，而提供一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法和应用。

一种纳米硫颗粒/二维层状碳化钛复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备二维层状碳化钛纳米片：