[发明专利]一种氮掺杂TiO2

说明书

本发明提供了一种氮掺杂TiO₂/GRA复合材料，其是利用含钛源的前体溶液与含氮源的石墨烯溶液混合，利用静电纺丝技术得到前驱体纤维材料，再以微波加热反应处理，得到所述材料。本发明在石墨烯上原位合成TiO₂同时完成氮掺杂，利用静电纺丝技术，使氮源、TiO₂、石墨烯相互作用均匀融合，制备出了复合材料，有效缓解传统直接掺杂时，高温受热过程中石墨烯团聚堆叠，进而影响复合材料性能；采用微波反应，加热速度快、加热均匀，一方面可以避免在传统反应中缓慢升温导致的石墨烯团聚，另一方面，在微波条件下，氧化石墨烯迅速被热还原为石墨烯，同时快速除去残留的无定形碳，制造更多孔结构，整套工艺流程省略了产品的洗涤、分离和干燥等后处理过程。

技术领域

本发明涉及一种掺杂材料，尤其涉及一种氮掺杂TiO₂/GRA复合材料，属于电极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池由于其高能量密度，高工作电压以及较长的使用寿命被广泛应用于手机，电动汽车等现代电能存储体系。负极材料的电化学性质直接影响了锂离子电池的整体性能。石墨由于具有高库伦效率，良好的循环稳定性，自然界储量丰富等优点被广泛应用于锂离子电池负极材料。然而其较低的比容量（372mAh g^-1）和较差的倍率性能无法满足未来便携设备和电动汽车的需求，因此，迫切需求开发新型高性能的锂电池负极材料。

金属氧化物材料TiO₂、SnO_X、CoO等具有较大的理论比容量。但这类负极材料在和锂发生合金化/去合金化过程中，金属基体无论是结构上还是体积上都可能发生较大的变化，同时，与体积变化相关的机械压力可造成其机械稳定性迅速衰减，使电极产生裂缝和脆性，从而导致离子间失去电接触，并最终导致其循环性能快速下降。因此，高容量的锂合金及金属氧化物负极材料仍然难以得到实际应用。综上，氧化物材料的使用一定程度上可提高材料的储锂比容量;而相对氧化物负极材料，石墨烯材料独特的结构、优良的导电性及重量轻等优点，使其可以作为良好的载体，从而缓解金属氧化物负极在储锂过程中的大体积膨胀，并增强金属氧化物负极的循环可逆储锂能力。

氮掺杂可以克服复合材料的缺陷，打开能带隙、调整导电类型，改变电子结构、提高自由载流子密度，有助于提高材料的导电性能和稳定性。因此，将循环性能良好的石墨碳烯材料与比容量大的金属氧化物材料制备成分散良好的的纳米复合材料，并进行氮掺杂改性处理，有望显著提高材料的储锂性能，对于拓展其应用具有深远的意义。

目前，有少数研究提供了石墨烯、TiO₂复合材料的制备方法，但是方法往往过程复杂，并且很难将石墨烯与TiO₂分散均匀，合成过程中会造成石墨烯材料的聚集、团聚，进而影响了复合材料的电化学性能。CN104056609A提供了一种二氧化钛/氧化石墨烯复合物的制备方法，将TiO₂粉末分散在水中，但由于TiO₂不溶于水，必然导致前驱体液分散不均匀，在后续的静电纺丝过程中导致所制备的TiO₂/GRA复合材料均一性差，无法使GRA良好的分散，从而形成团聚进而影响复合材料的性能。

氮掺杂研究也有一些报到，主要有高温固相反应法、化学气相沉积、电弧放电、水热法和高温热分解法等。CN104860308B采用固相燃烧合成法制备掺氮石墨烯材料，主要是将固体金属粉末、固体碳源、固体氮源混合，将混合后的粉末进行燃烧合成反应，反应产物进过洗涤提纯后得到掺氮石墨烯材料。但是，方法普遍具有步骤多、耗时长、且氮掺杂含量难以掌控，固相反应中由于掺氮前体受热过程中的强烈升华导致的掺氮前体大量损失，从而造成的掺氮效率低的问题，导致很难制备出高氮含量掺杂的纳米复合材料，进而限制了相关材料在电化学领域的广泛应用。

发明内容