[发明专利]黑磷量子点/碳化钛纳米片复合材料的制备方法和应用

说明书

本发明涉及黑磷量子点/碳化钛纳米片复合材料的制备方法和应用，将单层或少层的Ti₃C₂纳米片与在有机溶液中均匀分散的黑磷量子点混合，经超声、搅拌、干燥等简单工艺得到黑磷量子点/碳化钛(BPQDs/Ti₃C₂)纳米片复合材料。以涂在铜片上的BPQDs/Ti₃C₂纳米片复合材料作为能源电池的工作电极，以金属箔为对电极和参比电极，以玻璃微纤维过滤膜为隔膜，以有机溶液为电解液，在充满高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。本产品可作为二维电极材料，广泛应用于锂离子电池等能源领域，具有优异的充/放电性能及循环稳定性。

技术领域

本发明属于新能源材料的开发与研究技术领域，尤其是涉及一种黑磷量子点/碳化钛纳米片复合材料的制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因其开路电压高、能量密度高、无记忆效应、循环寿命长和对环境友好等优点，广泛应用在手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子产品，并且在电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)等领域有良好的发展前景。目前商业化使用的负极材料主要是石墨，其理论比容量为372mAh/g,已不能满足日益增加的能源需求。电极材料是影响电池性能的重要部分。黑磷(BP)是一种具有高载流子迁移率和高储能比容量的二维层状电池负极材料。理论研究表明，Li在磷烯(Z方向)扩散速度是在其他二维材料MoS₂和石墨烯的数百倍；另外，黑磷具有较石墨7倍高的储锂理论比容量(2596mAh g^-1)。然而，块状/微米尺寸的BP因其在循环过程中存在较大体积膨胀(≈300％)，导致容量快速衰减。

中国专利CN106892426A公开了一种石墨烯与黑磷量子点复合材料的制备方法，首先采用液相剥离法将块状黑磷晶体剥离得到片状黑磷，然后采用溶剂热法；制备黑磷量子点氮甲基吡咯烷酮分散液；将黑磷量子点分散液加入到石墨烯氮甲基吡咯烷酮分散液中，采用共沉淀法使得黑磷量子点吸附到石墨烯纳米片的表面，然后烘干，离心洗涤，干燥后即可得到所需材料。该专利用的石墨烯虽和Ti₃C₂都是导电性很好的二维层状材料，然后石墨烯价格较高；另一方面该专利在制备过程中需要两次高温干燥，多次洗涤，制备过程较复杂；再则，该专利只是涉及两种材料的复合制备并没有对其应用进行研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种黑磷量子点/碳化钛纳米片复合材料的制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种黑磷量子点/碳化钛纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：

(1)利用酸对Ti₃AlC₂进行刻蚀得到Ti₃C₂，然后在水中超声得到单层或少层的Ti₃C₂纳米片并将其冻干；

(2)黑磷块在排除空气的有机溶剂中超声剥离得到黑磷量子点；

(3)将步骤(1)制备的Ti₃C₂纳米片与步骤(2)得到的带有黑磷量子点的有机溶液混和，随后进行超声、搅拌、干燥处理制备得到BPQDs/Ti₃C₂纳米片复合材料，黑磷量子点均匀较密集的分散在Ti₃C₂纳米片表面，黑磷量子点的三维尺寸均小于10nm，其不仅可以全方位地缩短锂离子扩散路径，而且可以有效的减缓充/放电过程中电极材料的体积膨胀，Ti₃C₂纳米片厚度为10～100nm。

步骤(1)中采用的酸为为含氟酸，包括浓HF、LiF+HCl溶液等，在水中超声10～60min，超声功率为60～200W。