[发明专利]核壳结构的亚氧化钛及其可控制备方法

说明书

本发明涉及核壳结构的亚氧化钛及其可控制备方法，所述亚氧化钛具有核壳结构，其表面包覆有亚氧化钛非晶层。本发明中亚氧化钛具有独特的表面亚氧化钛非晶层包覆的核壳结构，其不仅具有亚氧化钛独特的有独特的电学、光学性质，优良的热稳定性和超高的电导率，还具有粒径小、比表面积高、微观结构单元可控等良好的性能，可以用于催化剂及催化剂载体，高效导电材料及制备高效可充电电池等。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种表面非晶层包覆核壳结构的亚氧化钛及其可控制备的方法。

背景技术

亚氧化钛是一系列非化学计量氧化钛的统称(Ti_nO_2n-1)，具有高电导率(电导率1500S/cm，远高于石墨材料)，高化学稳定性(耐强酸强碱)和电化学稳定性(水溶液中稳定电压窗口为3.0V以上)等诸多优点。在催化剂/催化剂载体，燃料电池、液流电池等领域有良好的应用前景。

1959年，Magnéli首先对这类物质进行了晶体结构的研究，故亚氧化钛又称Magnéli相氧化钛。亚氧化钛具有基于金红石型二氧化钛的晶体结构，可以看成一个共享TiO₂八面体的网络结构，该网络共用一个表面的所有边缘(共边)。在Ti_nO_2n-1中，每个第n层有个氧原子缺失形成剪切面。在剪切面上，八面体的二维链变成面共用。其独特的晶体结构赋予其同时具有高导电性和高化学稳定性。

亚氧化钛可以通过在惰性气氛下加热TiO₂和金属钛反应得到，也可以通过高温下使用还原剂如氢气还原TiO₂得到，如在1200℃以上的高温下用氢气还原TiO₂制备亚氧化钛。但这些制备方法都涉及高温反应(高于1000℃)，存在设备投入费用高、耗能高、工艺条件复杂等缺点，难以实现工业化，限制了这两种方法的应用。高温反应导致反应剧烈，不可控，难以实现亚氧化钛的结构调控。

此外，在制备过程中，亚氧化钛极易受到反应条件(反应物组分、还原剂在原料中的分散度、粒径大小、温度曲线即处理时间等)的影响，难以合成纯相。因此，制约亚氧化钛应用的一个主要问题就是低成本的制备亚氧化钛纯相。

当前氢气还原TiO₂得到的亚氧化钛本身只具有较弱的电催化活性，通常由于其优异的稳定性和高导电性作为催化剂的载体。是否有可能在低温条件下实现亚氧化钛的制备及其表面结构调控，使其具有优异的电催化性能？目前尚没有关于低温条件下低成本可控制备亚氧化钛纯相方法及其表面非晶层包覆的核壳结构调控的文献报道及专利申请。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有表面非晶层包覆的核壳结构的亚氧化钛及其可在低温条件下低成本可控制备亚氧化钛纯相的制备方法。

一方面，本发明提供了一种具有核壳结构的亚氧化钛，所述亚氧化钛具有核壳结构，其表面包覆有亚氧化钛非晶层。

本发明中亚氧化钛具有独特的表面亚氧化钛非晶层包覆的核壳结构，其不仅具有亚氧化钛独特的有独特的电学、光学性质，优良的热稳定性和超高的电导率，还具有粒径小、比表面积高、微观结构单元可控等良好的性能，可以用于催化剂及催化剂载体，高效导电材料及制备高效可充电电池等。此外，本发明中亚氧化钛表面具有一层亚氧化钛非晶层，非晶层的存在能够显著提升亚氧化钛的电催化性能。

较佳地，所述亚氧化钛的粒径为5nm～5μm，亚氧化钛非晶层的厚度为1～3nm，优选为1～2nm，非晶层厚度太薄，则电催化性能提升不显著，非晶层过厚(大于2nm)则导致材料导电性降低，亦降低电催化性能。

较佳地，所述亚氧化钛的化学式为TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅、Ti₄O₇、或其他含氧空位的亚氧化钛。