[发明专利]一种层状堆积二氧化钛纳米颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米功能材料制备技术领域，涉及一种层状堆积二氧化钛纳米颗粒的制备方法。

背景技术

二氧化钛材料，其结构稳定、环境友好、便于制备以及价格低廉，在光催化、光解制氢、染料敏化太阳能电池以及锂离子电池方面，具有广泛的应用。然而，在锂电应用方面，其电化学性能与二氧化钛的颗粒尺寸、微观形貌有很大关系。颗粒尺寸的减小，能缩短锂离子的扩散路径，便于电荷传输，提高锂电性能。因此，不同形貌的纳米结构的锐钛矿型二氧化钛正被人们作为新兴的电极材料进行研究，例如二氧化钛量子点、二氧化钛纳米片、二氧化钛纳米管、二氧化钛纳米球等。

近年来，一种新型的层状材料——MXene，正引起了人们的注意。MXene是一种新型过渡金属碳化物二维晶体，具有和石墨烯类似的结构，化学式为M_n+1X_n，其中，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳或氮元素。MXene的母体材料MAX相是一类化学式为M_n+1AX_n的三元层状化合物，其中，M、X、n与上述一样，A为主族元素。目前，已知的MAX相大约有60多种，Ti₃AlC₂是其代表性化合物。MAX相作为制备MXene的前驱体，其是一种集陶瓷与金属优良特性于一身的三元层状材料，通过酸性溶液，可以选择性地腐蚀其中的A元素，而获得一种新型的二维层状材料MXene。该MXene材料则表现出较好的电化学性能，作为超级电容器的电极时，能够获得高容量的比电容。但作为锂离子电池的负极材料，却性能一般。

目前，采用MAX相来制备二氧化钛纳米材料的技术已有报道。例如，申请号为201410326990.8的中国发明专利公布了一种二维片状二氧化钛纳米片材料的制备方法，包括先把三维层状Ti₃AlC₂粉末于室温下浸泡在HF的水溶液中，用化学液相剥离法将Al原子层去除后制备层状特性依然保留的二维Ti₃C₂纳米片；然后将Ti₃C₂置于管式炉中，抽真空后通入流动氧气和氩气的混合气体，在高温下实现二维Ti₃C₂纳米片的原位氧化，然后降温取出粉末，研磨后得到TiO₂纳米片。上述专利公布的技术方案制备所得的二氧化钛纳米片为金红石型结构，而目前，采用MAX相来制备层状堆积的锐钛矿型二氧化钛纳米颗粒的技术信息鲜有报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺步骤简单，反应条件温和，可控性好，工艺稳定性好，成本低，有利于实现扩大化生产的层状堆积二氧化钛纳米颗粒的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种层状堆积二氧化钛纳米颗粒的制备方法，该方法是以Ti₃AlC₂为原料，采用酸性溶液腐蚀Ti₃AlC₂，将Al原子层除去，生成二维材料MXene，再以二维材料MXene为前驱体，依次经水热反应、氧化反应，即制得所述的层状堆积二氧化钛纳米颗粒。

所述的方法具体包括以下步骤：

(1)配制质量浓度为10-60％的酸性溶液，加入Ti₃AlC₂，充分搅拌，后经离心洗涤至上层清液的pH为5-7，真空干燥，即制得二维材料MXene；

(2)将步骤(1)制得的二维材料MXene加入到去离子水中，转移至水热反应釜中，进行水热反应，待反应结束后，离心洗涤至上层清液的pH为5-7，真空干燥，即制得中间产物；

(3)将步骤(2)制得的中间产物转移至高温炉中，于空气或氧气氛围中，进行热氧化处理，冷却后，即制得所述的层状堆积二氧化钛纳米颗粒。

步骤(1)所述的酸性溶液为盐酸、硫酸、硝酸或者氢氟酸中的一种。

步骤(1)所述的Ti₃AlC₂在酸性溶液中的质量浓度为0.002-1g/mL。