阅读说明：本技术 一种层状结构钛酸锂纳米颗粒的制备方法 (Preparation method of lithium titanate nanoparticles with layered structure ) 是由 唐煌 薛建忠 吴晓庆 方涛 左旭东 于 2020-11-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种层状结构钛酸锂纳米颗粒的制备方法,包括：用酸性溶液腐蚀Ti3AlC2,生成二维材料MXene,再以MXene为前躯体,水热后再氧化两步法合成层状堆积的二氧化钛纳米颗粒,最后利用层状堆积的二氧化钛与碳酸锂在惰性气氛下高温反应,合成出层状结构的钛酸锂,其纳米颗粒尺寸大小在100nm左右,规则地以二维层状形式堆积。该材料作为锂离子电极材料,表现出优秀的长循环稳定性。(The invention provides a preparation method of lithium titanate nanoparticles with a layered structure, which comprises the following steps: corroding Ti3AlC2 with an acidic solution to generate a two-dimensional material MXene, then using the MXene as a precursor, hydrothermally oxidizing the precursor to synthesize titanium dioxide nano particles stacked in a layered manner, and finally utilizing the high-temperature reaction of the titanium dioxide stacked in the layered manner and lithium carbonate in an inert atmosphere to synthesize lithium titanate with a layered structure, wherein the size of the nano particles is about 100nm, and the lithium titanate is regularly stacked in a two-dimensional layered manner. The material is used as a lithium ion electrode material and shows excellent long-cycle stability.)

一种层状结构钛酸锂纳米颗粒的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料的制备，特别涉及一种层状结构钛酸锂纳米颗粒的制备方法。

背景技术

钛酸锂(Li4Ti5O12)是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属于AB2X4系列，可被描述成尖晶石固溶体。钛酸锂材料，其结构稳定、环境友好、便于制备以及价格低廉，其最大的特点就是“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，具有非常好的耐过充、过放特征。然而，在锂电应用方面，其电化学性能与钛酸锂的颗粒尺寸、微观形貌有很大关系。颗粒尺寸的减小，能缩短锂离子的扩散路径，便于电荷传输，提高锂电性能。因此，不同形貌纳米结构的钛酸锂正被人们作为新兴的电极材料进行研究，例如钛酸锂纳米片、钛酸锂纳米棒、钛酸锂纳米球等。

近年来，一种新型的层状材料——MXene，正引起了人们的注意。制备MXene的前驱体是MAX相，一种集陶瓷与金属优良特性于一身的三元层状材料，通过酸性溶液选择性地腐蚀其中的A元素而获得一种新型的二维层状材料MXene。该材料表现出较好的电化学性能，作为超级电容器的电极，可以获得高容量的比电容。但作为锂离子电池的负极材料，却性能一般。因此，我们以MXene为前驱体，通过水热后再氧化两步法成功制备层状结构的锐钛矿型二氧化钛纳米颗粒，最后利用层状堆积的二氧化钛与碳酸锂在惰性气氛下高温反应，生成层状堆积的纳米钛酸锂颗粒。该钛酸锂纳米颗粒，其尺寸大小在100nm左右，规则地以二维层状形式堆积，表现出优秀的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种层状结构钛酸锂纳米颗粒的制备方法。

本发明解决上述问题的技术方案为：一种层状结构钛酸锂纳米颗粒的制备方法，具体包括以下步骤：第一步，在酸性溶液中加入Ti3AlC2，磁子搅拌直至完全反应；第二步，通过对反应产物离心洗涤、真空烘干获得层状材料MXene；第三步，将所获得的MXene在一定条件下水热，离心洗涤烘干后再在空气或氧气中氧化，获得层状堆积的二氧化钛纳米颗粒，再将层状堆积的二氧化钛与碳酸锂按反应比例混合，研磨均匀，在惰性气氛下高温反应，最终生成层状结构的钛酸锂纳米颗粒。

进一步的，所述酸性溶液可以采用盐酸、硫酸、硝酸或者氢氟酸，酸性溶液的浓度为10～60％，所述Ti3AlC2与酸性溶液的质量比为1:3～1:20。

进一步的，所述磁子搅拌的转速在100～800转/分钟，所述搅拌时间2～50小时。

进一步的，所述离心洗涤的转速在1000～10000转/分钟，离心洗涤至pH＝5～7，真空烘干的温度50～120℃，干燥时间5～24小时。

进一步的，采用水热反应的温度：100～250℃，MXene与去离子水的质量比为1:10～1:200，水热时间为1～48小时。

进一步的，采用氧化反应的气氛为空气或者氧气，温度：100～500℃，氧化时间为1～48小时。

进一步的，高温反应的惰性气氛为氮气或者氩气，温度700～1100℃，反应时间6～12小时。

进一步的，所述钛酸锂纳米颗粒大小为90-110nm，形状规则，整齐地层状堆积。

本发明具有有益效果：

本发明提供了一种层状结构钛酸锂纳米颗粒的制备方法，利用新型的二维材料MXene作为模板，水热后氧化两步法合成层状堆积的二氧化钛纳米颗粒，再利用层状堆积的二氧化钛纳米颗粒与碳酸锂高温反应，生成层状结构的钛酸锂纳米颗粒。目前该层状结构的钛酸锂几乎没有报道，并且该方法制备出的钛酸锂纳米颗粒较小，只有100纳米左右，整齐地层状堆积，便于锂离子的嵌入和脱嵌，表现出优秀的电化学性能。

附图说明

图1是本发明优选实施例中所制备的层状结构钛酸锂纳米颗粒的XRD图谱；

图2是本发明优选实施例中所制备的层状结构钛酸锂纳米颗粒的SEM图谱。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

1.取1g的Ti3AlC2，加入到10ml，40％的氢氟酸中，磁子搅拌24小时；

2.将搅拌后的溶液离心洗涤至pH＝6，真空60，12小时烘干，获得二维材料MXene；

3.取0.2g的MXene，加入到20ml的去离子水中，200℃，5小时水热，再离心洗涤至pH＝7，真空60℃，12小时烘干；

4.将烘干的产物放入马弗炉中，300℃，3小时氧化，产物为层状堆积的二氧化钛纳米颗粒。

5.再将反应所得的层状堆积的二氧化钛与0.1g的钛酸锂研磨10分钟，使其混合均匀，放入管式炉，通高纯氩气，800℃反应9小时，所得产物即为层状结构的钛酸锂纳米颗粒。

参见附图1，它是本实施案例中提供的层状结构钛酸锂纳米颗粒的XRD图谱，由图可知，对照标准卡片JCPDS No.49-0207，其XRD衍射峰与钛酸锂标准谱图完全对应，9个衍射峰分别对应钛酸锂的(111)、(311)、(400)、(331)、(333)、(440)、(531)、(533)、(622)晶面的衍射峰。

参见附图2，它是本实施案例中提供的钛酸锂纳米颗粒的SEM图。由扫描电镜图可以看到，钛酸锂纳米颗粒为典型的层状堆积，颗粒大小在100纳米左右。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。