一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法与流程

本发明属于材料合成技术领域，尤其涉及一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法。

技术背景

锂离子电池具有绿色环保、重量轻、容量大、无记忆效应等优点，已被广泛应用于各种电子产品，但其高昂的成本也极大地阻碍了其作为大规模储能系统的深入应用。随着锂离子电池应用领域的不断拓展，对锂盐的需求也逐步增大。按照现有锂盐的消耗量与储量计算，锂源只能持续使用65年。由于锂源的稀缺性和需求的日益增长，造成锂盐价格持续上涨。钠和锂是同主族元素，具有相似的物理化学性质，且钠资源丰富，成本低廉，在储能领域，钠离子电池最有可能成为锂离子电池的替代品。

目前钛酸钠越来越受到大家的关注。合成钛酸钠纳米材料的主要方法有：水热法，固相烧结法，溶胶凝胶法。水热法存在制备过程成本高，实验的重现性较差等问题，固相烧结法制备钛酸钠往往需要在煅烧前进行长时间的高能球磨，或者需要1000℃以上的煅烧温度，或者需要长时间的高温煅烧，而且不容易得到纯相的钛酸钠。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法，包括以下步骤：

(1)将钛源与氨水混合，混合物在冰浴下搅拌30min～60min生成氢氧化氧钛，超声同时加入浓硝酸，直至得到澄清溶液后停止加入浓硝酸，此时得到硝酸氧钛；

(2)将燃烧剂和钠源加入到步骤(1)的澄清溶液中，超声溶解，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液在空气气氛中，500℃～900℃燃烧10min～60min，冷却到室温后得到钛酸钠粉体。

步骤(1)钛源为钛酸四丁酯。

步骤(1)氨水的pH＝8～10。

步骤(1)钛源与氨水按照质量比8～11:1的比例混合。

步骤(1)浓硝酸的质量分数为69％。

步骤(2)钠源为氢氧化钠、碳酸钠、硝酸钠、乙酸钠中的一种或几种任意比例混合。

步骤(2)钠源是按照钛酸钠的化学计量比过量5％～10％；所述钛酸钠的化学式为Na8Ti5O14、Na2Ti3O7等。

步骤(2)燃烧剂与钠源和钛源之和的摩尔比(燃烧剂的物质的量:(钠源的物质的量和钛源的物质的量))为0.5～1.5:1。

步骤(2)燃烧剂为柠檬酸、甘氨酸、苹果酸、丁二酸、乳酸等富含C、H、O、N的有机酸。

本发明方法的优点在于工艺过程简单，产品质量与化学计量比易于控制，合成出的钛酸钠纳米粉末性能好，化学均匀性好，颗粒小，孔隙多，作为锂离子电池负极材料可增大电解液的接触面积，性能更好。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的Na8Ti5O14的XRD图；

图2为本发明实施例1制备得到的Na8Ti5O14的SEM图；

图3为本发明实施例4制备得到的Na2Ti3O7的XRD图；

图4为本发明实施例4制备得到的Na2Ti3O7的SEM图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法，包括以下步骤：

(1)将钛源与氨水按照质量比8:1的比例混合得到混合物，钛源为钛酸四丁酯，氨水的pH＝10，混合物在冰浴下搅拌30min生成氢氧化氧钛，在超声同时加入质量分数为69％的浓硝酸直至得到澄清溶液后停止加入浓硝酸，此时得到硝酸氧钛；

(2)将燃烧剂柠檬酸和钠源硝酸钠加入到步骤(1)的澄清溶液中，结合步骤(1)的钛源和最后得到的钛酸钠的化学式Na8Ti5O14，计算加入的钠源硝酸钠的质量，并使钠源硝酸钠质量过量5％，燃烧剂与钠源和钛源之和的摩尔比(燃烧剂的物质的量:(钠源的物质的量和钛源的物质的量))为0.5:1，超声溶解，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液在空气气氛中，800℃燃烧30min，冷却到室温后得到纯相Na8Ti5O14粉体。

如图1所示为本实施例制备得到的Na8Ti5O14的XRD图；从图中可知，本实施例通过燃烧法制备出的材料的衍射峰与Na8Ti5O14的衍射峰(JCPDS No.28-1155)相吻合，无杂相峰。

如图2所示为本实施例制备得到的Na8Ti5O14的SEM图；从图中可知，Na8Ti5O14是由小颗粒组成的片层状，表面疏松多孔，增大比表面积。

实施例2

一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法，包括以下步骤：

(1)将钛源与氨水按照质量比9:1的比例混合得到混合物，钛源为钛酸四丁酯，氨水的pH＝8，混合物在冰浴下搅拌40min生成氢氧化氧钛，在超声同时加入质量分数为69％的浓硝酸直至得到澄清溶液后停止加入浓硝酸，此时得到硝酸氧钛；

(2)将燃烧剂甘氨酸和钠源氢氧化钠加入到步骤(1)的澄清溶液中，结合步骤(1)的钛源和最后得到的钛酸钠的化学式Na8Ti5O14，计算加入的钠源氢氧化钠的质量，并使钠源氢氧化钠质量过量8％，燃烧剂与钠源和钛源之和的摩尔比(燃烧剂的物质的量:(钠源的物质的量和钛源的物质的量))为1:1，超声溶解，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液在空气气氛中，500℃燃烧60min，冷却到室温后得到纯相Na8Ti5O14粉体。

实施例3

一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法，包括以下步骤：

(1)将钛源与氨水按照质量比11:1的比例混合得到混合物，钛源为钛酸四丁酯，氨水的pH＝9，混合物在冰浴下搅拌60min生成氢氧化氧钛，在超声同时加入质量分数为69％的浓硝酸直至得到澄清溶液后停止加入浓硝酸，此时得到硝酸氧钛；

(2)将燃烧剂乳酸和钠源硝酸钠加入到步骤(1)的澄清溶液中，结合步骤(1)的钛源和最后得到的钛酸钠的化学式Na8Ti5O14，计算加入的钠源硝酸钠的质量，并使钠源硝酸钠质量过量10％，燃烧剂与钠源和钛源之和的摩尔比(燃烧剂的物质的量:(钠源的物质的量和钛源的物质的量))为1.5:1，超声溶解，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液在空气气氛中，900℃燃烧10min，冷却到室温后得到纯相Na8Ti5O14粉体。

实施例4

一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法，包括以下步骤：

(1)将钛源与氨水按照质量比8:1的比例混合得到混合物，钛源为钛酸四丁酯，氨水的pH＝9，混合物在冰浴下搅拌30min生成氢氧化氧钛，在超声同时加入质量分数为69％的浓硝酸直至得到澄清溶液后停止加入浓硝酸，此时得到硝酸氧钛；

(2)将燃烧剂丁二酸和钠源硝酸钠加入到步骤(1)的澄清溶液中，结合步骤(1)的钛源和最后得到的钛酸钠的化学式Na2Ti3O7，计算加入的钠源硝酸钠的质量，并使钠源硝酸钠质量过量5％，燃烧剂与钠源和钛源之和的摩尔比(燃烧剂的物质的量:(钠源的物质的量和钛源的物质的量))为0.5:1，超声溶解，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液在空气气氛中，700℃燃烧50min，冷却到室温后得到纯相Na2Ti3O7粉体。

如图3所示为本实施例制备得到的Na2Ti3O7的XRD图；从图中可知，本实施例通过燃烧法制备出的材料的衍射峰与Na2Ti3O7的衍射峰(JCPDS No.28-1155)相吻合，无杂相峰。

如图4所示为本实施例制备得到的Na2Ti3O7的SEM图；从图中可知，Na2Ti3O7成片层状，能看出部分成针状，表面疏松多孔，增大比表面积。

实施例5

一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法，包括以下步骤：

(1)将钛源与氨水按照质量比10:1的比例混合得到混合物，钛源为钛酸四丁酯，氨水的pH＝8，混合物在冰浴下50min生成氢氧化氧钛，在超声同时加入质量分数为69％的浓硝酸直至得到澄清溶液后停止加入浓硝酸，此时得到硝酸氧钛；

(2)将燃烧剂苹果酸和钠源乙酸钠和硝酸钠的混合物(乙酸钠和硝酸钠质量比1:1混合)加入到步骤(1)的澄清溶液中，结合步骤(1)的钛源和最后得到的钛酸钠的化学式Na2Ti3O7，计算加入的钠源的质量，并使钠源质量过量7％，燃烧剂与钠源和钛源之和的摩尔比(燃烧剂的物质的量:(钠源的物质的量和钛源的物质的量))为0.58:1，超声溶解，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液在空气气氛中，500℃燃烧60min，冷却到室温后得到纯相Na2Ti3O7粉体。

实施例6

一种液相燃烧制备纯相钛酸钠的方法，包括以下步骤：

(1)将钛源与氨水按照质量比9:1的比例混合得到混合物，钛源为钛酸四丁酯，氨水的pH＝10，混合物在冰浴下搅拌60min生成氢氧化氧钛，在超声同时加入质量分数为69％的浓硝酸直至得到澄清溶液后停止加入浓硝酸，此时得到硝酸氧钛；

(2)将燃烧剂甘氨酸和钠源碳酸钠加入到步骤(1)的澄清溶液中，结合步骤(1)的钛源和最后得到的钛酸钠的化学式Na2Ti3O7，计算加入的钠源碳酸钠的质量，并使钠源碳酸钠质量过量10％，燃烧剂与钠源和钛源之和的摩尔比(燃烧剂的物质的量:(钠源的物质的量和钛源的物质的量))为1.5:1，超声溶解，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液在空气气氛中，900℃燃烧10min，冷却到室温后得到纯相Na2Ti3O7粉体。