[发明专利]同取向的纳米晶粒组成的类单晶介孔氮氧化钛纳米线及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及同取向的纳米晶粒组成的类单晶介孔氮氧化钛纳米线及其制备方法，由直径5‑20nm的氮氧化钛纳米颗粒同取向搭接而成，所述的纳米线长度为3‑7微米，直径为80‑100nm，其内部具有丰富的介孔结构，介孔体积为0.08‑0.16cm³/g，比表面积为30‑70m²/g。通过调控烧结温度实现不同程度的氧掺杂，使由同取向的纳米晶粒组成的类单晶的介孔氮氧化钛纳米线具有更高的电化学活性。本发明的有益效果是：本发明通过巧妙的水热‑煅烧工艺结合方法合成了由同取向的纳米晶粒组成的类单晶的介孔氮钛氧纳米线。具有明显改善的高倍率性能和长循环寿命，是一种潜在的高性能钠离子混合电容器负极材料。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种同取向的纳米晶粒组成的类单晶介孔氮氧化钛纳米线及其制备方法，该材料可作为高功率长寿命钠离子混合电容器负极材料。

背景技术

锂离子电池作为一种绿色化学存储器件，已广泛应用于人们的日常生活，如手机、相机、笔记本等便携设备，并逐步成为动力汽车电源的最佳选择。值得注意的是，锂资源在地球上储量有限，日益增长的锂需求使锂资源不断减少，进而使锂资源的价格呈不断上升趋势。相对于锂资源来言，钠资源在地球上的储量更丰富，因此价格更低。同时，由于钠具有与锂相似的物理和化学性质，钠离子混合电容器可以如同锂离子电池的一样工作且稳定安全。因此，开发基于钠离子混合电容器的储能体系用来替代锂离子混合电容器是当前低碳经济时代研究的前沿和热点之一。

电池的电化学性能很大部分取决于电极材料的性能。目前商业化的锂离子电池的负极材料石墨碳，其容量较低并且不可作为钠离子混合电容器的负极材料，因此开发一种高功率、长寿命的钠离子混合电容器的负极材料具有广阔的应用前景。

相对于锂离子电池而言，钠离子混合电容器的优势在于其价格低廉，来源广泛，但是钠离子的离子半径是锂离子半径的1.43倍，导致钠离子具有更慢的离子扩散速率，因此一般的钠离子混合电容器的负极材料具有较低的离子与电子扩散速率进而导致其倍率特性较差、功率密度较低，限制了其在便携设备中的进一步发展以及在混合动力汽车中的应用。因此开发一种作为高容量、高功率、长的循环寿命的钠离子混合电容器的负极材料成为目前亟待解决的关键问题。根据研究报道，纳米材料具有高的比表面积以及更好的活性，作为电池电极材料时与电解液接触面积大、离子脱嵌距离短，能有效提高材料的电化学活性，因此具有显著的优势。同时，纳米结构有利于缓解循环过程中的应力释放，稳定结构，获得更长的循环寿命。因此，研究基于新型纳米电极材料的大容量、高功率、长寿命、低成本钠离子混合电容器是发展趋势之一。

过渡金属氮化物因具有高的电子导电性，被认为是潜在的电极材料。近年来，氮氧化钛作为电容器电极材料已被逐步研究，但是其能量密度和循环性能均不佳，这主要是由于水系电解液具有低的电压窗口，并且它在充放电过程中与电解液中的水发生反应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种同取向的纳米晶粒组成的类单晶介孔氮氧化钛纳米线及其制备方法，其工艺简单，所得的同取向的纳米晶粒组成的类单晶介孔氮氧化钛纳米线负极材料具有优良的电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：同取向的纳米晶粒组成的类单晶介孔氮氧化钛纳米线，由直径5-20nm的氮氧化钛纳米颗粒同取向搭接而成，所述的纳米线长度为3-7微米，直径为80-100nm，其内部具有丰富的介孔结构，介孔体积为0.08-0.16cm³/g，比表面积为30-70m²/g。通过调控烧结温度实现不同程度的氧掺杂，使由同取向的纳米晶粒组成的类单晶的介孔氮氧化钛纳米线具有更高的电化学活性。

所述的同取向的纳米晶粒组成的类单晶介孔氮氧化钛纳米线的制备方法，包括有以下步骤：

1)将锐钛矿二氧化钛粉末加入到氢氧化钠溶液中，磁力搅拌至混合均匀；