一种微波辐射制备二氧化钛/层状碳复合材料的方法与流程

本发明涉及一种二氧化钛/层状碳复合材料的制备方法，尤其涉及一种微波辐射制备二氧化钛/层状碳复合材料的方法，主要用作超级电容器的电极材料。

背景技术：

随着世界经济的飞速发展，能源危机和环境污染问题已经不可忽视，发展一种可持续的清洁高效的能源和储能方式迫在眉睫。超级电容器作为一种高效、清洁、可持续的能源设备，受到广泛关注。超级电容器具有功率密度高、低温性能好、使用寿命长和高安全性等优点，能够广泛应用到电子产品及能量回收和存储领域。

二维层状碳化钛，由于其独特的形貌结构、较小的颗粒尺寸、较大的比表面积，优异的导电性、大的比表面积和高倍率稳定性而具有超强的电化学性能，广泛的应用于电容器、锂离子电池、太阳能电池等中。纳米二氧化钛不仅具有极好的高倍率性能、循环稳定性、快速充放电性能和较高的容量，纳米二氧化钛还能有效降低电容器的容量衰减，增加电容器稳定性，提高电化学性能。二氧化钛/层状碳复合材料结合了二维层状碳和纳米二氧化钛的特性，具有良好的导电性、化学稳定性、热稳定性、无毒性等，被广泛应用于电容器、锂离子电池等中。

目前制备二氧化钛/层状碳材料的方法大多采用水热法和原位法，水热法需要高温进行反应，能耗高，成本也高；原位法需要较长的反应时间，效率低；而且主要作为锂离子电池、钠离子电池的电极材料。

技术实现要素：

本发明的目的是针对水热法和原位法能耗高，效率低的问题，提供一种微波辐射合成二氧化钛/层状碳复合材料的方法；

一、二氧化钛/层状碳复合材料的制备

本发明微波辐射制备二氧化钛/层状碳复合材料的方法，包括以下工艺步骤：

（1）ti3c2tx层状材料的制备：将三元max相材料ti3alc2粉末（粒度为500~2000目）浸泡在10~40wt%氢氟酸溶液中，在持续搅拌下于20~50°c刻蚀反应2~24h；反应结束后抽滤，产物用蒸馏水和无水乙醇反复清洗，得到黑色粉末产物，置于干燥箱，于40~80°c下保温干燥8~24h，得到层片间存有缝隙的ti3c2tx层状材料；

（2）二氧化钛/层状碳复合材料的制备：将ti3c2tx与导电炭黑以1:0.01~1:0.1的质量比混合后充分研磨，然后放入微波加热装置内，在功率为600~1200w下，微波辐射10~60s，得到二氧化钛/层状碳复合材料。

图1（a）为经过氢氟酸刻蚀后的ti3alc2粉末（ti3c2tx层状材料）的sem图，图1（b）为二氧化钛/层状碳复合材料的sem图。由图1（b）及插图可以看出，层状碳材料ti3c2tx的片层结构明显变薄，并且表面和片层结构内都生成了尺寸较为均匀的二氧化钛颗粒，生长在片层内的纳米颗粒明显连接两个片层，这就形成了一个较为粗糙的三维结构，这种结构有利于二氧化钛/层状碳复合材料在超级电容器上的应用。

二、二氧化钛/层状碳复合材料的电化学性能

为测试二氧化钛/层状碳复合材料的电化学性能，将质量比为8:1:1的二氧化钛/层状碳纳米复合材料、导电炭黑、聚四氟乙烯（ptfe）混合成电极浆料，然后将浆料分散在面积为1cm²泡沫镍片上，随后将电极在40~80°c下干燥8~24h，最终得到了二氧化钛/层状碳电极。电极在三电极体系下使用3mol/lkoh电解液对其进行电化学性能测试，参比电极和对电极分别是hg/hgo和铂片电极。电极材料利用电化学工作站分别在1a/g的电流密度下进行恒电流充放电测试得到电极材料的比电容，利用电池测试系统在1a/g的电流密度下经过5000次循环，考察其循环稳定性。经过电化学性能的测试结果显示，该电极材料在1a/g的电流密度下比电容可达171f/g，经过5000次恒电流充放电循环，比电容为原来的91%以上。

综上所述，本发明微波辐射制备二氧化钛/层状碳复合材料的方法简单，反应条件温和，能耗低；制备时间较短，效率高。获得的二氧化钛/层状碳复合材料具有优良的电化学性能，应用在超级电容器上，具有较高的比电容和优异的循环稳定性。

附图说明

图1为经过刻蚀后的ti3alc2粉末（a）及二氧化钛/层状碳复合材料（b）的sem图。

具体实施方式

下述通过具体实施例对本发明二氧化钛/层状碳复合材料的具体制备方法及性能作进一步说明。

实施例1

（1）ti3c2tx层状材料的制备：将0.1946g三元max相材料ti3alc2粉末（粒度为500~2000目）浸泡在30ml20wt%氢氟酸溶液中，在20℃刻蚀反应24h，反应过程中持续磁力搅拌；之后抽滤，产物用蒸馏水和无水乙醇清洗各三次，得到黑色粉末产物，再放入干燥箱于50℃干燥18h，即得ti3c2tx层状材料；

（2）二氧化钛/层状碳复合材料的制备：取ti3c2tx层状材料200mg，导电炭黑20mg，放入玛瑙研钵中，研磨30min至均匀，然后放入微波反应装置内，在微波功率600w下辐射60s，即得到二氧化钛/层状碳复合材料。

（3）二氧化钛/层状碳复合材料的电化学性能：取二氧化钛/层状碳40mg，导电炭黑5mg和聚四氟乙烯5mg，通过乙醇混合为均匀浆料后分散在面积为1cm²泡沫镍片上，60℃下干燥12h。经过电化学性能的测试，电极材料在1a/g的电流密度下比电容为171f/g，经过5000次恒电流充放电循环，比电容为原来的93%。因此，具有较高的比电容和优异的循环稳定性。

实施例2

（1）ti3c2tx层状材料的制备：将0.5g三元max相材料ti3alc2粉末（粒度为500~2000目）浸泡在50ml30wt%氢氟酸溶液中，在40℃刻蚀反应12h，反应过程中持续磁力搅拌；之后抽滤，产物用蒸馏水和无水乙醇清洗各三次，得到黑色粉末产物，再放入干燥箱于60℃干燥24h，即得ti3c2tx层状材料；

（2）二氧化钛/层状碳复合材料的制备：取ti3c2tx层状材料100mg和导电炭黑1mg，放入玛瑙研钵中，研磨10min至均匀，然后放入微波反应装置内，在微波功率为700w下辐射10s，即得到二氧化钛/层状碳复合材料。

（3）二氧化钛/层状碳复合材料的电化学性能：取二氧化钛/层状碳80mg，导电炭黑10mg和聚四氟乙烯10mg，通过乙醇混合为均匀浆料后分散在面积为1cm²泡沫镍片上，40℃下干燥24h。经过电化学性能的测试，电极材料在1a/g的电流密度下比电容为162f/g，经过5000次恒电流充放电循环，比电容为原来的92%。因此，具有较高的比电容和优异的循环稳定性。

实施例3

（1）ti3c2tx层状材料的制备

将0.937g三元max相材料ti3alc2粉末（粒度为500~2000目）浸泡在40ml、40wt%氢氟酸溶液中，在50℃刻蚀反应18h，反应过程中持续磁力搅拌；之后抽滤，产物用蒸馏水和无水乙醇清洗各三次,得到黑色粉末产物，再放入干燥箱于40℃干燥12h，即得ti3c2tx层状材料；

（2）二氧化钛/层状碳复合材料的制备：取ti3c2tx层状材料200mg和导电炭黑4mg，放入玛瑙研钵中，研磨20min至均匀，然后放入微波反应装置内，在微波功率800w下辐射30s，即得到二氧化钛/层状碳复合材料。

（3）二氧化钛/层状碳复合材料的电化学性能：取二氧化钛/层状碳48mg，导电炭黑6mg和聚四氟乙烯6mg，通过乙醇混合为均匀浆料后分散在面积为1cm²泡沫镍片上，70℃下干燥10h。经过电化学性能的测试，电极材料在1a/g的电流密度下比电容为157f/g，经过5000次恒电流充放电循环，比电容为原来的91%。因此，具有较高的比电容和优异的循环稳定性。