一種鈦鈷尖晶石的制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種過渡金屬尖晶石的制備方法和用途，特別是一種鈦鈷尖晶石的制備方法和用途。
【背景技術(shù)】
[0002]作為無機(jī)功能材料領(lǐng)域中的一員，過渡金屬尖晶石結(jié)構(gòu)納米材料因具備尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)等重要的特性，在光學(xué)(Chem.Eur.J., 2007，13，746)、磁性(J.Am.Chem.Soc., 2008，130，13490)、催化(Chem.Commun., 2009，1565)、電化學(xué)儲(chǔ)能(J.Mater.Chem.A, 2013, I, 9024)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于材料的粒徑及形貌結(jié)構(gòu)對于材料的物理、化學(xué)性能都有著嚴(yán)重影響，因此，就要有目的的對材料進(jìn)行控制合成，以獲得期望的優(yōu)良性能。
[0003]反尖晶石型鈦鈷綠(Co2T14)由于其良好的化學(xué)穩(wěn)定性，常作為耐高溫涂料、無機(jī)顏料，近些年來，其在磁性等領(lǐng)域的應(yīng)用也引起了材料學(xué)家的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的鈦鈷尖晶石制備方式主要采用固相合成法，反應(yīng)溫度高，時(shí)間長，顆粒的形貌和尺寸都難以控制，無法得到規(guī)則形貌。然而，到目前為止化學(xué)組分均勻性好、純度高、微觀結(jié)構(gòu)規(guī)整的鈦鈷尖晶石的制備方法尚未見報(bào)道，尤其是特殊形貌的鈦鈷尖晶石材料，至今還是個(gè)空白，這大大制約了該材料的進(jìn)一步應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是要提供一種所用的原料易得，合成方法簡單，操作步驟可控性高的鈦鈷尖晶石的制備方法和用途。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明為一種鈦鈷尖晶石(Co2T14)納米八面體結(jié)構(gòu)材料的制備方法并將其用作鋰離子電池負(fù)極材料，采取溫和的液相合成技術(shù)制備得到鈦酸鈷納米結(jié)構(gòu)，調(diào)控反應(yīng)過程中技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對鈦鈷尖晶石納米八面體結(jié)構(gòu)材料的廉價(jià)、便利化合，并將其應(yīng)用做鋰離子電池負(fù)極材料；
制備方法，其包括以下步驟:
(1)鈷源為二價(jià)鈷鹽，選自水合氯化鈷(CoCl2.6H20)、水合草酸鈷(CoC2O4.2H 2 O)、水合乙酸鈷(C4H6O4.C0.4H20)或者水合硝酸鈷(Co (NO3)2.6H20);
鈦源選自二氧化鈦(T12)、鈦酸丁酯(C16H36O4Ti)或者水合硫酸鈦(Ti (SO4) 2.9H20);將鈦源加入到0.5-2摩爾/升的堿液中配制成溶液I ;將鈷源加入到質(zhì)量比糖輔助劑:胺類輔助劑=2:1的溶液中獲得溶液2。將溶液I與溶液2按照鈷源與鈦源按摩爾比(1-5):1混合并攪拌均勻；
(2)將步驟(I)得到的混合物料移至密閉反應(yīng)器中于100?250°C條件下，反應(yīng)8-40小時(shí)后自然冷卻至常溫經(jīng)分離提純即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。
[0006]步驟(I)中，所述的堿助劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰中的一種或多種；所述的糖輔助劑為果糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉中的一種或多種；所述的胺類輔助劑為氯化羥胺、氯化銨、氨水中的一種或多種。
[0007]所述的步驟(2)中的分離提純方式為離心或者布氏漏斗抽濾，去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌。
[0008]所述步驟(I)中的堿輔助劑優(yōu)選氫氧化鈉。
[0009]所述步驟(I)中的糖類輔助劑優(yōu)選葡萄糖，胺類輔助劑優(yōu)選氯化羥胺。
[0010]優(yōu)選的，步驟(I)中鈷源為水合氯化鈷(CoCl2.6H20)或水合乙酸鈷(C4H6O4.C0.4H20)o
[0011]優(yōu)選的，步驟(I)中鈦源為二氧化鈦(T12)或水合硫酸鈦(Ti (SO4)2.9H20)。
[0012]所述步驟(2)中優(yōu)選反應(yīng)溫度為160_210°C條件下反應(yīng)15_25小時(shí)，特別優(yōu)選于200°C條件下反應(yīng)20小時(shí)，制備高純度形貌規(guī)整的鈦鈷尖晶石納米八面體。
[0013]所述鈦鈷尖晶石納米八面體結(jié)構(gòu)材料用于鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用的方法是:
(1)按重量比為70: 20: 10的比例分別稱取鈦鈷尖晶石納米八面體、乙炔黑和聚偏氟乙烯，然后加入N-甲基吡咯烷酮溶液，充分研磨或攪拌10?30min，將糊狀的混合物均勻的涂布在銅箔上，在100±20°C下干燥，之后對涂有上述混合物的銅箔進(jìn)行碾壓，裁切制得電極片；
(2)在充滿氬氣的環(huán)境中，以常規(guī)方法將電極片、隔膜和鋰片組裝成扣式電池并進(jìn)行恒流充放電容量和循環(huán)性能測試；
試驗(yàn)結(jié)果:鈦鈷尖晶石納米八面體在100毫安/克的電流條件下，首次及第二次放電容量分別為1320、750毫安?時(shí)/克，其后容量趨于穩(wěn)定；當(dāng)依次升高電流至200、500、1000、2000,5000毫安/克，其容量分別為600、550、500、420、220毫安.時(shí)/克；當(dāng)電流恢復(fù)至100毫安/克條件下，其容量仍能夠恢復(fù)至750毫安?時(shí)/克，且循環(huán)100圈不衰減，充分表現(xiàn)出高的比容量及優(yōu)異的倍率性能。
[0014]有益效果:由于采用了上述方案，首次制備出了鈦鈷尖晶石納米八面體，所用的原料易得，制備方法簡單，易于操作，且所的產(chǎn)品為高純度，粒徑分布較窄，形貌規(guī)整的單晶體，較易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)，將該納米八面體作為鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，既克服了商業(yè)化鋰離子電池用傳統(tǒng)碳負(fù)極材料比容量低的缺點(diǎn)，又具備了傳統(tǒng)過渡金屬氧化物負(fù)極材料不具備的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，對開發(fā)新型鋰離子電池具有指導(dǎo)作用。
[0015]優(yōu)點(diǎn):所用的原料易得，合成方法簡單，操作步驟可控性高，且所得產(chǎn)品為純度高、粒徑均一，較易于擴(kuò)大生產(chǎn)。同時(shí)，將該八面體用作鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。
[0016]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1鈦鈷尖晶石納米八面體的粉末X-射線粉末衍射花樣圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1鈦鈷尖晶石納米八面體的透射電子顯微鏡照片。
[0018]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1鈦鈷尖晶石納米八面體的掃描電子顯微鏡照片。
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1鈦鈷尖晶石納米八面體的掃描透射顯微鏡照片和Co、Ti元素面分布圖照片。
[0020]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1鈦鈷尖晶石納米八面體的充放電循環(huán)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明為一種鈦鈷尖晶石(Co2T14)納米八面體結(jié)構(gòu)材料的制備方法并將其用作鋰離子電池負(fù)極材料，采取溫和的液相合成技術(shù)制備得到鈦酸鈷納米結(jié)構(gòu)，調(diào)控反應(yīng)過程中技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對鈦鈷尖晶石納米八面體結(jié)構(gòu)材料的廉價(jià)、便利化合，并將其應(yīng)用做鋰離子電池負(fù)極材料；
制備方法，其包括以下步驟:
(1)鈷源為二價(jià)鈷鹽，選自水合氯化鈷(CoCl2.6H20)、水合草酸鈷(CoC2O4.2H 2 O)、水合乙酸鈷(C4H6O4.C0.4H20)或者水合硝酸鈷(Co (NO3)2.6H20);
鈦源選自二氧化鈦(T12)、鈦酸丁酯(C16H36O4Ti)或者水合硫酸鈦(Ti (SO4) 2.9H20);將鈦源加入到0.5-2摩爾/升的堿液中配制成溶液I ;將鈷源加入到質(zhì)量比糖輔助劑:胺類輔助劑=2:1的溶液中獲得溶液2。將溶液I與溶液2按照鈷源與鈦源按摩爾比(1-5):1混合并攪拌均勻；
(2)將步驟(I)得到的混合物料移至密閉反應(yīng)器中于100?250°C條件下，反應(yīng)8-40小時(shí)后自然冷卻至常溫再經(jīng)分離提純即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。
[0022]步驟(I)中，所述的堿助劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰中的一種或多種；所述的糖輔助劑為果糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉中的一種或多種；所述的胺類輔助劑為氯化羥胺、氯化銨、氨水中的一種或多種。
[0023]所述步驟(I)中的堿輔助劑優(yōu)選氫氧化鈉。
[0024]所述步驟(I)中的糖類輔助劑優(yōu)選葡萄糖，胺類輔助劑優(yōu)選氯化羥胺。
[0025]優(yōu)選的，步驟(I)中鈷源為水合氯化鈷(CoCl2.6H20)或水合乙酸鈷(C4H6O4.C0.4H20)o
[0026]優(yōu)選的，步驟(I)中鈦源為二氧化鈦(T12)或水合硫酸鈦(Ti (SO4)2.9H20)。
[0027]所述步驟(2)中優(yōu)選反應(yīng)溫度為160_210°C條件下反應(yīng)15_25小時(shí)，特別優(yōu)選于200°C條件下反應(yīng)20小時(shí)，制備高純度形貌規(guī)整的鈦鈷尖晶石納米八面體。
[0028]所述鈦鈷尖晶石納米八面體結(jié)構(gòu)材料用于鋰離子電池負(fù)