[发明专利]一种花状介孔二氧化钛分级结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种花状介孔二氧化钛分级结构及其制备方法，属于纳米材料合成技术领域。

背景技术

随着科技和信息产业的发展，特别是各种便携式电子设备的广泛应用，使得储能设备朝着高性能、小型化的趋势发展。锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长和毒性小等诸多的优点，引起了广泛关注。

介孔二氧化钛材料是一种兼具介孔材料和纳米材料双重特性的无机生物材料，它具有非常高的化学稳定性和生物相容性。近年来，二氧化钛纳米材料的制备及应用有了新的突破。二氧化钛的晶型、结构及形貌对其相关应用的影响非常大，因此合成特定晶型或特定形貌的二氧化钛纳米材料具有很重要的意义，随着介孔材料合成技术的发展，制备形貌和结构丰富的介孔二氧化钛材料已成为当前研究热点。TiO₂作为一种重要的n型半导体材料，因其具有独特电化学性质使其在锂离子电池领域具有良好的应用前景。在不同晶型的二氧化钛中，锐钛矿适宜应用于锂离子电池。其中，花状介孔二氧化钛分级结构材料因其具有高比表面积和发达的孔结构等优势而被广泛的研究和应用。

专利CN105129849公开了一种花状二氧化钛纳米材料及其无模板制备方法，具体合成步骤是：(1)将浓盐酸溶于去离子水和乙二醇中任一种或两种的混合溶液中，配置成浓度为0.5～1mol/L的溶液；(2)将硫酸氧钛加入到步骤(1)所得溶液中，继续搅拌使其混合均匀；(3)将步骤(2)所得混合溶液在120～180℃条件下反应6～24h，产物用去离子水和乙醇反复洗涤、离心分离后，烘干，最后在400～600℃煅烧2h，即得花状二氧化钛纳米材料。该专利制得二氧化钛的晶型为金红石型，且结构无特殊通道，不能为锂离子的传输提供一个良好的路径。

专利CN103570063 A公开了一种具有分级结构的TiO₂材料及其制备方法和用途，具体合成步骤是：(1)将钛酸酯以0.01～0.02mol/L的浓度溶于乙醇，得到钛酸酯溶液；(2)配制去离子水和乙腈的混合液，使水的含量为0.1～1.0重量％；(3)以1:0.4～3的体积比将步骤(2)的混合液加入到步骤(1)的钛酸酯溶液中，混合均匀后静置反应；(4)反应完毕后，将得到的白色乳浊液离心分离，洗涤沉淀物并干燥，即得到具有分级结构的TiO₂材料。该专利制得的二氧化钛纳米片厚度为10～100nm，花状微粒的平均直径为1000～2500nm，纳米粒子过大且厚度较厚不利于储锂。

综上所述，有必要进一步研究新的方法来制备结构新颖的花状介孔二氧化钛结构材料，以满足锂离子电池的应用以及扩大其应用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种花状介孔二氧化钛分级结构的制备方法，运用溶剂热法制备囊泡状二氧化硅/二氧化钛复合材料，然后通过刻蚀得到花状介孔二氧化钛分级结构。本发明的制备方法简单，结构新颖，制备过程安全，可操作性强。本发明制备的花状介孔二氧化钛分级结构分散均匀、产率高、结构稳定，扩展了其应用范围。

本发明采用的技术方案为：

一种花状介孔二氧化钛分级结构材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)充分溶于水，混匀使其形成透明溶液，随后加入氨水并混匀；

(2)将正硅酸四乙酯(TEOS)和硫酸氧钛(TiOSO₄)分散在无水乙醇溶液中；

(3)将步骤(2)中的混合溶液加入到步骤(1)中的混合溶液中，混匀搅拌反应后得到白色悬浮液，然后将白色悬浮液进行溶剂热处理，得到白色沉淀；

(4)将步骤(3)中的白色沉淀进行过滤，洗涤，干燥，研磨后，煅烧，得到白色粉末；

(5)将步骤(4)中的白色粉末与NaOH溶液混合，进行刻蚀反应，即可得到花状介孔二氧化钛分级结构。

步骤(1)和(2)的顺序能够互换。

步骤(1)中，优选的，混匀时搅拌的温度为25～40℃，搅拌速度为300～450r/min。在该温度下，CTAB、DDAB充分溶解并与氨水充分混合，为硅源和钛源加入之后的反应提供良好的环境。

优选的，所述CTAB、DDAB的摩尔比为1:(0.978～1.126)。在该比例范围内形成的囊泡状二氧化硅/二氧化钛复合材料相貌均一，分散性好。并且囊泡层数为3-6层，层间距为1～2nm。其他范围则不能形成稳定囊泡状二氧化硅/二氧化钛复合材料，从而不能形成花状介孔二氧化钛分级结构材料。

优选的，氨水的质量浓度为23～25％。