[发明专利]一种混合相铌钛氧化物及其制备方法与储能应用

说明书

本发明公开了一种混合相铌钛氧化物及其制备方法与储能应用，是首先配制含有金属铌盐、金属钛盐的混合溶液，通过溶剂热法制备结晶度低的铌钛前驱体，然后通过高温煅烧获得结晶度高且形貌、物相均可调控的混合相铌钛氧化物。本发明所得混合相铌钛氧化物能够应用于制备锂离子电容器等电化学储能器件的电极材料，其中各物相的协同储能作用可进一步提高材料的电化学性能；本发明的制备方法简单、成本低、过程易于控制，可以批量化生产。

技术领域

本发明属于纳米功能材料的制备领域，具体涉及一种混合相铌钛氧化物及其制备方法与储能应用。

背景技术

近年来，凭借其物理化学性质优异、结构组成丰富、无毒性及来源丰富等优势，铌钛氧化物在电化学储能、环境催化、气体传感等领域得到了广泛的关注。特别是应用在电化学储能时，具有高工作电位及理论容量的脱嵌型铌钛氧化物是理想的负极材料：首先，铌钛氧化物快速的离子嵌入/脱嵌过程能够有效弥补储能器件内部电化学反应动力学的差异；其次，铌钛氧化物相对较高的工作电位可同时避免SEI膜以及锂枝晶的形成，从而确保了电极的安全性；再者，铌钛氧化物可提供较宽的离子扩散通道，因此使其在离子嵌脱前后结构不变，有利于增强铌钛氧化物的结构稳定性和循环稳定性。然而，铌钛氧化物较低的本征离子迁移率和电导率严重影响了其倍率性能，从而制约了其在电化学储能领域的广泛应用。

在铌钛氧化物结构组成丰富的基础上，进一步构筑混合相铌钛氧化物是提高其电化学性能的有效手段之一。相比于单一物相，混合物相可提供更多的氧化还原电对及活性中心，并充分利用各物相组分的储能特性，通过协同作用可进一步提高活性材料的电化学性能。然而目前已报道的类似的铌钛氧化物通常涉及到较复杂的制备工艺，所以探索铌钛氧化物的简易制备方法并实现其形貌、物相、性能的系统调控对进一步提高其电化学性能、扩展其应用领域具有举足轻重的作用。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明公开了一种混合相铌钛氧化物及其制备方法与储能应用，旨在通过简单的方法获得形貌、物相及性能均可调控的高性能电化学储能材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种混合相铌钛氧化物的制备方法，其特点在于：首先配制含有金属铌盐、金属钛盐的混合溶液，通过溶剂热法制备前驱体，然后通过高温煅烧获得结晶度高且形貌、物相均可调控的混合相铌钛氧化物。具体包含如下步骤：

(1)溶剂热法制备前驱体：称取0～5.0mmol金属铌盐、0～1.2mmol金属钛盐溶于5～50mL有机溶剂中，获得溶液A；称取0.3～10mmol六亚甲基四胺溶解于50～150mL去离子水中，获得溶液B；将溶液B加入溶液A中，混合均匀后进行溶剂热反应，溶剂热温度为100～200℃、保温时间为5～60h，然后离心、水洗、干燥，收集粉末产物，获得前驱体；

(2)高温煅烧制备混合相铌钛氧化物：将所述前驱体置于管式炉中，在氩气保护下进行高温煅烧，其中煅烧温度为500～900℃、保温时间为30～600min、升温速率为0.5～10℃min^-1，煅烧结束后自然冷却至室温，即获得混合相铌钛氧化物。

进一步地，所述金属铌盐为氯化铌、草酸铌和草酸铌铵中的至少一种，所述金属钛盐为异丙醇钛、硫酸氧钛、四氯化钛、钛酸四丁酯和钛酸正丁酯中的至少一种。

进一步地，步骤(1)中所述有机溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或任意几种的混合。

本发明的上述方法，通过调控金属铌盐和金属钛盐的摩尔比，可调控所得混合相铌钛氧化物的形貌和物相组成，从而调控所得混合相铌钛氧化物的电化学储能特性。

本发明所述的混合相铌钛氧化物可作为锂离子电容器、锂离子电池、钠离子电池等电化学储能材料的电极材料，如作为锂离子电容器的电极材料展现出较高的比容量及优异的倍率性能。此外，本发明所述的混合相铌钛氧化物在催化、传感等领域同样具备较大的应用潜力。