[发明专利]一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料及其制备方法与应用。该金属氧化物/碳互插层二维复合材料包括金属氧化物层和位于金属氧化物层之间的碳层，碳层与金属氧化物层相互穿插；金属氧化物/碳互插层二维复合材料的层与层之间基本重叠排列，或者层与层之间交错排列；金属氧化物/碳互插层二维复合材料单元厚度为0.5‑5nm。该材料可以大幅提高金属氧化物内部的电子传输，也提高了两种二维材料的接触面积和比表面积，有利于催化、吸附、以及表面储能，是一种潜在的新能源材料。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

金属氧化材料作为锂离子电池、超级电容器、或者电化学用催化剂或者催化剂载体时，因为其导电性差，往往需要在表面做导电处理。通常的作为是在其表面通过水热炭化、高温烧结炭化等方法在其表面覆盖一层导电性碳材料。这种碳材料能有效提高金属有机物的导电性能，然后对于金属氧化物内部导电性能的提升并无明显效果，特别对于大颗粒材料。同时采用表面包裹的方法制备的碳壳会在内部金属氧化的化学反应、电化学反应、或者物理吸附过程中因为体积膨胀而造成碳层龟裂降解。

发明内容

本发明提供一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)金属氧化物二维材料与含有氨基的有机物经插层反应或表面修饰反应，在所述金属氧化物二维材料的层间或其表面引入有机分子层，得到有机分子层/金属氧化物二维复合材料；

(2)步骤(1)得到的所述有机分子层/金属氧化物二维复合材料经过炭化处理，得到所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料；或者，

(3)步骤(1)得到的所述有机分子层/金属氧化物二维复合材料经聚合反应后，得到高分子层/金属氧化物二维复合材料；所述高分子层/金属氧化物二维复合材料经过炭化处理，得到所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料。

根据本发明的实施方式，步骤(1)中，所述金属氧化物二维材料可以选自非质子化、金属离子交换、质子化的金属氧化物层状材料，以及有孔和/或无孔的金属氧化物纳米片中的至少一种；优选地，所述金属氧化物可以选自碱土-过渡金属氧化物，例如可以为钙、钡、钛、铌、钌、钒、钨、钽、铪、锆、铬、钼、锰、镧、铈、镨、钕、钪、钇、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等元素的氧化物中的一种、两种或更多种；示例性地，所述金属氧化物可以选自二氧化钛、氧化铌、氧化镧、氧化钨和氧化钒中的一种、两种或更多种。优选地，所述金属氧化物二维材料可以选自质子化的层状TiO₂材料、镍离子交换的层状TiO₂材料、无孔的TiO₂纳米片、多孔的TiO₂纳米片。

其中，所述金属氧化物层状材料的片层尺寸为100纳米-50微米，厚度为20纳米-50微米。其中，所述金属氧化物纳米片的片层尺寸为50纳米-50微米，厚度为0.5纳米-20纳米。

其中，所述金属氧化物二维材料可以采用本领域已知方法制备得到，例如固热烧结法、水热法、溶剂热法、液相剥离法、机械剥离法、离子交换法等。