[发明专利]一种纳米棒构筑的二氧化钛空心球及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于无机材料制备领域，特别涉及一种纳米棒构筑的二氧化钛空心球及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，现代社会面临着日益严重的能源和环境问题，人们对可再生能源的需求和应用日益迫切。锂离子电池作为一种新能源转化和存储设备，有着开路电压高、能量密度大、使用寿命长、污染小等优点。新型电极材料的开发，是新一代锂离子电池研发的关键因素。二氧化钛结构、化学性质稳定、安全、储量丰富，可作为负极材料，实现快速低压嵌锂。然而，二氧化钛由于自身电子电导率和离子电导率相对较低，储锂性能受到限制。

与此同时，氢能作为一种理想的可再生洁净能源，受到越来越广泛的关注。二氧化钛作为一种典型的无机半导体材料，具有化学性质稳定、耐光腐蚀、廉价、环境友好、透光性好等优点，在光解水产氢等领域有着良好的应用前景。然而，二氧化钛禁带宽度相对较宽，只在紫外光波段响应，同时光生电子-空穴易发生复合，限制其在光解水产氢、染料敏化太阳能电池等领域的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米棒构筑的二氧化钛空心球的制备方法。该纳米棒构筑的二氧化钛空心球可有效提高材料的充放电性能以及光解水产氢性能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种纳米棒构筑的二氧化钛空心球，所述纳米棒构筑的二氧化钛空心球直径在1～4μm，所述中空结构的壳层厚度在300～500nm，所述二氧化钛空心球是由大量近似平行的纳米棒自主装而形成，纳米棒的直径在10～15nm，晶型为锐钛矿相。

一种纳米棒构筑的二氧化钛空心球的制备方法，其包含以下步骤：

1)将四氯化钛逐滴加入至异丙醇中，搅拌10～30分钟，形成白色溶液，所述四氯化钛和异丙醇的体积比为1:40～1:60；

2)将步骤1)所得的溶液转移至聚四氟乙烯内衬反应釜中，在100～220℃烘箱中，恒温放置1.5～48小时；

3)冷却至室温，样品经乙醇洗涤、离心、干燥，即可得到纳米棒构筑的二氧化钛空心球。

所述的纳米棒构筑的二氧化钛空心球在锂离子电池负极材料中的应用。

所述的纳米棒构筑的二氧化钛空心球在光催化领域中的应用。

本发明的原理为：通过高温高压条件下，异丙醇醚化反应释放出少量水，形成二氧化钛纳米晶种。TiO₂颗粒聚集形成实心微球，以降低表面能。然后，TiO₂微球内核颗粒倾向于溶解并再结晶，在Cl^-的调控下延[001]晶向生长，纳米棒呈辐射状排列，组装成纳米空心微球。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于:

1.该纳米棒构筑的二氧化钛空心球制备方法简单，产量大，可实现大规模工业化生产。

2.在溶剂热反应中，在表面活性剂作用下，合成出纳米棒构筑的二氧化钛空心球，产物结晶性良好。

3.制备的二氧化钛空心球比表面积较高，可达43.8m²g^-1，具有多孔纳米棒壳层结构，有利于锂离子电子的迁移传输及锂离子的嵌入，尤其是高倍率下锂离子的传输和嵌入。该材料特殊的纳米棒壳层结构，有利于材料的分散，具有较好的结构稳定性。而空心结构则有利于电解液的存储和渗透，缓解电化学过程中产生的体积膨胀和应力变化，从而进一步提高电极材料的循环稳定性。

4.制备的二氧化钛空心球具有特殊的等级结构分支结构、高比表面积、纳米棒壳层结构，有利于Pt等贵金属助催化剂的负载，提高催化剂的光解水产氢效率。该二氧化钛具有特殊的纳米棒分支结构和中空结构，有利于光线的传输和利用，从而提高其光解水或光催化性能。负载Pt团簇的二氧化钛空心球具有优异的光解水产氢速率，可达14218μmolg^-1。

附图说明

图1是实施例1制备的纳米棒构筑的二氧化钛空心球的扫描电镜图。

图2是实施例1制备的纳米棒构筑的二氧化钛空心球的透射电镜图。

图3是实施例1制备的纳米棒构筑的二氧化钛空心球的XRD衍射图。

图4是实施例1制备的纳米棒构筑的二氧化钛空心球的氮气吸附-脱附曲线图。

图5是实施例1制备的纳米棒构筑的二氧化钛空心球的不同倍率下的充放电循环图。

图6是实施例2制备的纳米棒构筑的二氧化钛空心球的扫描电镜图。

图7是实施例3制备的纳米棒构筑的二氧化钛空心球的扫描电镜图。