[发明专利]一种管套管多级结构N掺杂碳-二氧化钛及其制备方法

说明书

本发明公开了一种管套管多级结构N掺杂碳‑二氧化钛及其制备方法，所述的管套管多级结构是由N掺杂碳‑二氧化钛纳米颗粒或纳米片作为基本组成单元堆积而成的内部交联贯通纳米管多级结构，该方法采用纤维素作为框架模板和碳源，利用水热处理过程中纤维素的部分自分解行为、原位碳包覆以及高温N掺杂的方法制备而得。具有如下优势：(1)其形貌、结构具有可调控性。(2)该材料兼具锐钛矿、金红石两相和N掺杂碳双重特性；(3)采用纤维素作为结构框架和碳源，成本低、污染少、能耗低，易实现规模化生产。所制备的管套管多级结构N掺杂碳‑二氧化钛有望在锂离子电池、锂‑硫电池、超级电容器、光解水以及染料敏化太阳能电池等领域得到广泛应用。

技术领域

本发明属于新能源材料和电化学领域，具体涉及一种管套管多级结构N掺杂碳-二氧化钛及其制备方法。

背景技术

传统纳米结构电极材料因其面积-体积比高、扩散距离短等优势非常有利于离子的传输，但是存在堆积密度低、堆积孔不规则等缺点，极大限制了其实际应用。以纳米粒子作为基本结构单元，来组装构筑出的多级结构电极材料，不仅能够充分利用纳米颗粒自身的理化性质，而且相对于单纯纳米粒子，多级结构在离子传输、电子传导以及导电网络构建等方面具有明显增效的优势。例如，利用纳米颗粒作为结构基元构建多级中空结构，可使离子电子从各个方向通过纳米壳层，大大缩短了锂离子和电子的迁移路径；同时，壳层中堆积孔具有孔径分布集中、比表面积高、易渗透等优点。更为重要的是，多级结构对解决固定硫，阻止多硫化物的溶解，减少飞梭效应，减少充放电带来的体积膨胀等问题，有着非常好的效果。研究发现，通过实验方法制作出具有核壳结构的硫/二氧化钛复合材料，经电化学性能测试，展现出优异的循环稳定性和较高的比容量。

然而，对于二氧化钛材料来说，低电导率是制约其应用的主要因素之一。将其与导电碳物质复合是解决该电极材料导电性差的主要方法之一，特别是杂原子掺杂的碳材料。这种策略不仅可以缓解充放电过程中材料的体积膨胀/收缩，同时还可以提升材料的导电性，对提升器件的电化学性能有着十分重要的意义。基于上述分析，制备一种兼具纳米粒子效应、高堆积密度、发达孔结构以及紧密杂原子掺杂碳-二氧化钛材料，有望在锂离子电池、锂-硫电池、超级电容器、光解水以及染料敏化太阳能电池等领域得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供管套管多级结构N掺杂碳-二氧化钛及其制备方法。

本发明一种管套管多级结构N掺杂碳-二氧化钛，所述的管套管多级结构是由N掺杂碳-二氧化钛纳米颗粒或纳米片作为基本组成单元堆积而成。再由这种单管或管套管结构作为次级结构构成最终的材料。

所述的管套管多级结构N掺杂碳-二氧化钛中，二氧化钛晶型为锐钛矿、金红石相，碳为无定形碳、类石墨化碳或N掺杂类石墨化碳。管套管N掺杂碳-二氧化钛内部交联贯通，形成刚性的三维网络骨架，具有300nm-10μm的大孔。多级纳米管中的纳米管层数(0-2层)及管间距(25-100nm)可以通过改变水热处理的时间和氮气中焙烧温度进行调控。该结构中同时存在框架孔、纳米管和二氧化钛纳米粒子堆积孔，具有丰富的结构多级性。

一种管套管多级结构N掺杂碳-二氧化钛中可为片、块或宏观颗粒等一体材料。

本发明一种管套管多级结构N掺杂碳-二氧化钛的制备方法，通过以下步骤实现：

(1)将纤维度加到有机硅酯在碱的醇溶液中，分离、洗涤、干燥得到纤维素-二氧化硅；

(2)将步骤(1)的纤维素-二氧化硅在置于有机钛酯溶液中浸泡后水解，得到三明治结构纤维素-二氧化硅-二氧化钛复合物；

(3)将步骤(2)得到的纤维素-二氧化硅-二氧化钛复合物放在碱液中水热处理，制备出管套管多级结构的纤维素-三钛酸前驱体；

(4)将步骤(3)的管套管多级结构的纤维素-三钛酸前驱体与有机胺和碱溶液的混合物搅拌、洗涤、干燥得到氮源包覆的管套管多级结构的纤维素-三钛酸；