[发明专利]一种具有层状结构的焦磷酸钛及其制备方法和应用

说明书

本申请公开一种具有层状结构的焦磷酸钛及其制备方法和应用，属于纳米功能材料技术领域，该制备方法通过严格控制碳化钛与浓磷酸的反应条件得到了具有层状结构的焦磷酸钛，其不仅操作简单，而且对于设备的要求不高，可以实现工业化的生产。其中磷酸盐基聚阴离子材料丰富的晶体化学性质，易于合成，结构稳定，成为了合适的钾离子电池负极材料。而焦磷酸钛具有良好的热稳定性、长循环稳定性和较高的速率能力。因此以MXene为模板合成制备具有MXene支架的焦磷酸钛更有利于钾离子的扩散与传输，进一步提升电化学性能，并使电池容量更好地保持，在钾离子电池中具有较佳的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米功能材料领域，具体涉及一种具有层状结构的焦磷酸钛及其制备方法和应用。

背景技术

磷酸盐基聚阴离子材料具有丰富的晶体化学性质、易于合成、结构稳定等特点，成为了合适的钾离子电池负极材料。在各种磷酸盐基聚阴离子材料中，焦磷酸钛具有优异的离子可转移性和电化学稳定性。焦磷酸钛材料属于立方晶系结构，是由角共享TiO₆八面体和磷酸盐四面体连接在一起形成P₂O₇单元的三维立方结构。该结构形成的焦磷酸钛作为PIBS负极极大促进离子转移，提高速率性能，强大的协调效应提高容量，三维开放框架提高了稳定结构的耐久性。但目前研究的焦磷酸钛存在理论比容量低，纳米尺寸较大等问题，较大的纳米尺寸会导致在钾化/去钾化的过程中材料反应动力学缓慢。MXene作为一种新型的二维材料，因其高导电性、层间距可调、良好的柔韧性、官能团丰富等特点被认为是未来非常有前途的材料。MXene具有较大的层间距和优异的导电性，被广泛用于钾离子电池负极材料。因此以MXene为模板合成制备具有MXene支架的焦磷酸钛更有利于钾离子的扩散与传输，进一步提升电化学性能。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种具有层状结构的焦磷酸钛的制备方法，其操作简单，对设备要求不高，可以简单高效地制备得到具有层状结构的焦磷酸钛。

本发明的第二目的在于提供一种具有层状结构的焦磷酸钛，其由上述具有层状结构的焦磷酸钛的制备方法制备得到，其结构新颖，该结构形成的焦磷酸钛作为PIBS负极极大促进离子转移，提高速率性能，强大的协调效应提高容量，三维开放框架提高了稳定结构的耐久性。

本发明的第三目的在于提供一种具有层状结构的焦磷酸钛在钾离子电池中的应用。

一种具有层状结构的焦磷酸钛的制备方法，其包括：

（1）碳化钛的制备

利用氢氟酸对Ti₃AlC进行刻蚀得到碳化钛粉体；

（2）焦磷酸钛的制备

将碳化钛与浓磷酸、海藻酸钠混合，在室温搅拌均匀后在140~180℃进行水热反应，碳化钛与浓磷酸摩尔比为1:65~70；将水热反应后的溶液离心、抽滤，固体再冷冻干燥，就得到了第一粉体；

（3）保护气氛下，将第一粉体在600~800℃保温2~3h；冷却至室温，得到具有层状结构的焦磷酸钛。

其中，碳化钛是由49wt%的氢氟酸刻蚀30~40h得到。

进一步地，碳化钛与浓磷酸的摩尔比为1:65~70，优选1:66~68。所述海藻酸钠的加入量为碳化钛质量的1~3%。

可选地，所述水热反应温度为160℃，水热反应的时间为10~15 h。还需用水洗涤，并在真空冷冻干燥箱中冷冻干燥。

进一步地，保护氛围下，温度由室温以3~5℃/min的速率升至600~800℃，并在600~800℃保温2~3h。为了得到层状结构的焦磷酸钛，缓慢升温是关键点之一。升温太快的话，层状结构会塌方破碎，不易形成层状结构，而升温太慢又会导致制备的效率低下。