[发明专利]二氧化钛∕石墨烯纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛/石墨烯复合材料及其制备方法与在能源和清洁环境领域应用，特别涉及该复合材料在动力锂离子电池和光催化领域的应用。

背景技术

环境污染和能源危机已引起世界各国的广泛关注。目前，汽车大约消耗原油产量的45％，并释放出大量的温室效应气体二氧化碳；汽车尾气中还含有其它污染气体如二氧化硫和氮氧化物。开发无排放低污染的电动汽车，已成为世界各国共同认可的急切任务，很多汽车制造厂商、电池制造厂商、化学试剂公司和各国的政府部门已投入大量资金和人力，加速电动汽车的研发。在现有电池中，锂离子电池的容量密度和能量密度较高，被公认为最有希望的动力电池；但锂离子电池本身还存在一些技术瓶颈，使其在汽车中的广泛使用受到限制。目前，商品化的锂离子电池所采用的负极材料几乎都是碳/石墨材料，但由于碳的电极电位与锂的电位很接近，当电池过充电时，部分锂离子可能在碳电极表面沉积，形成锂枝晶而引发安全性问题。另一方面，由于碳/石墨电极材料第一次充放电时，会在碳表面形成固体电解质中间相(SEI膜)，造成较大的不可逆容量损失，并且固体电解质中间相的产生增加了电极/电解液界面阻抗，不利于Li+的可逆嵌入和脱出。同时，现有的商业负极材料已达到了性能的极限，并且碳负极材料无法克服存在着缺点和不足，新材料技术的突破成为新一代锂离子电池研制的迫切任务。寻找安全性能更好、比容量更高、循环寿命更长的新型负极材料，已成为锂离子电池研究的焦点。二氧化钛是一种具有长寿命、安全环保等特性的高性能锂离子电池负极材料。与碳负极材料相比，二氧化钛材料具有很多优点，如：

(1)二氧化钛材料嵌锂电位高(1.7V Vs Li/Li⁺)，在首次充放电过程中无SEI膜形成，能量转换效率较高；

(2)二氧化钛材料在充放电过程中不出现金属锂或合金，安全性高；

(3)二氧化钛材料在循环过程中晶体结构不发生变化，稳定性好。

因此，二氧化钛材料可作为锂离子动力电池的良好负极材料。但是，由于二氧化钛材料是一种半导体材料，因而电子导电性较差，倍率充放电性能欠佳。

具有诸多优点的二氧化钛也是众多光催化材料中研究最广泛、受关注程度最高的光催化材料，被认为是最有前途的光催化材料之一，特别是90年代以来以新合成路线、新改性方法、敏化太阳能电池应用中的新进展以及纳米科技为代表的科学研究，进一步坚实地奠定了二氧化钛在光催化材料中的主导地位。虽然二氧化钛基光催化材料满足了作为一种优良光催化材料的基本要求，但广泛应用仍然受制于材料本身光催化效率不高和无可见光响应两个瓶颈。许多文献报道了采用新型碳材料诸如碳纳米管、富勒烯等与二氧化钛复合形成复合材料，由于两者的协同作用，增强了材料对有机物、污染物的光催化性能。碳材料-二氧化钛具备更优越光催化能力的几个原因：(1)复合材料更大的比表面积提高了材料对有机污染物的吸附能力；(2)碳材料-二氧化钛界面异质结的形成改善了光生电子与空穴间的复合；(3)相比于纯二氧化钛，复合材料的费米能级可能向更正的方向偏移，进而提高了对更长波长光子的利用率；(4)碳材料表面吸收光子后，将电子注入到二氧化钛导带，形成用以降解有机污染物的反应激子(超氧自由基O₂-和羟基自由基HO·。

石墨烯具有理想二维晶体结构，由六边形晶格组成。自从被成功制备出来，石墨烯在全世界范围内引起了一股新的研究热潮。由于石墨烯具有大的比表面积，高的导电性使得其在锂离子电池方面具有广阔的应用前景。石墨烯直接作为锂离子电池负极材料，其首次充放电容量可以达到400-800mAh/g，稳定后的容量可以达到380-450mAh/g，明显高于常规石墨材料的锂离子电池。但由于其首次效率低(＜60％)及较低的体积能量密度是限制该材料直接作为锂离子电池负极材料的主要因素。目前，大多数研究集中在将石墨烯与电极材料进行复合利用其超薄柔性的特征，可缓解电极材料颗粒在充放电过程中的体积膨胀，其高的导电性可以为电子提供良好的导电网络。

发明内容

本发明目的是提供一种二氧化钛/石墨烯纳米复合材料及其制备方法和应用，要解决的技术问题是改善二氧化钛材料的离子电子导通能力，有效提高材料的倍率充放电性能及光催化活性。

本发明的技术方案是：

一种二氧化钛/石墨烯纳米复合材料，石墨烯所占的比例为1～25wt％(优选范围为10～20wt％)，其余为二氧化钛；其中，二氧化钛的形态是介孔结构或高能面占优，且二氧化钛都均匀分散在石墨烯表面。