[发明专利]惰性气氛下一步法制备高纯相Ti4

说明书

本发明提供了一种惰性气氛下一步法制备高纯相Ti₄O₇纳米材料的方法，以偏钛酸为前驱体，将偏钛酸前驱体与还原剂碳粉混合后置于密闭的反应器中煅烧，向反应器内通入惰性气体，先于第一温度800～950℃下保温一定时间，再于第二温度950～1300℃下保温一定时间，即可得到高纯相Ti₄O₇。本发明采用偏钛酸为前驱体，以碳粉为还原剂，在反应后碳粉会转化成CO或CO₂溢出，而自动消除，无需进行后续的分离步骤，可实现一步法制备，大大简化了制备步骤，提高了产物的纯度。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种惰性气氛下一步法制备高纯相Ti₄O₇纳米材料的方法。

背景技术

Magnéli相氧化钛，又称亚氧化钛，是一系列非化学计量氧化钛的统称，具有通式Ti_nO_2n-1。其基于金红石型TiO₂晶格结构，每n层失去一个氧原子，八面体的二维链成面共用，形成有序的平面氧缺陷。

近年来，Magnéli相氧化钛受到国内外的广泛关注，由于其具有高导电性和化学稳定性，以及强的耐腐蚀性，使其在惰性电极、HER、ORR、NRR、燃料电池和锂电池等领域具有很大的应用价值。在Magnéli的所有相中，Ti₄O₇具有最高的导电性(1500S/m)，远高于石墨材料。这使得Ti₄O₇成为了最具有潜在应用价值的亚氧化钛，作为可替代石墨烯的一种电极材料，用于提高电池的稳定性和寿命。

现有制备Ti₄O₇的方法中均以TiO₂为前驱体，将前驱体与还原剂混合进行反应，反应结束后，为了有效分离剩余的还原剂与产物，需要对烧结后的产物和还原剂混合物进行后续处理，从而使得整个制备过程较为复杂，且由于TiO₂为锐钛矿或金红石晶体结构，要使它转化为Magnéli相三斜晶系结构，需要的能量很大，不易转化。此外，有文献采用氢气作为还原剂，虽然能够避免剩余还原剂与产物无法有效分离的问题，但是氢气在高温下存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的以TiO₂为前驱体，要使它转化为Magnéli相三斜晶系结构，需要的能量很大，不易转化，且制备过程复杂的问题，而提供一种惰性气氛下一步法制备高纯相Ti₄O₇纳米材料的方法，该制备方法可实现一步法制备高纯相Ti₄O₇，且能耗低，避免了高温下采用氢气作为还原剂而存在的安全隐患。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种惰性气氛下一步法制备高纯相Ti₄O₇纳米材料的方法，以偏钛酸为前驱体，将偏钛酸前驱体与碳粉混合后置于密闭的反应器中煅烧，向反应器内通入惰性气体，先于第一温度 800～950℃下保温，再于第二温度950～1300℃下保温，即可得到高纯相Ti₄O₇。

进一步，碳粉占前驱体与碳粉总量的1.3～15wt％。

进一步，所述偏钛酸前驱体的制备方法为：

(1)将钛白粉溶于3～10M碱性溶液中，搅拌3～6h形成均一的胶体，并置于温度为120～200℃下，反应3～24h，过滤，得到沉淀物；

(2)对上述沉淀物进行水洗，直至溶液呈中性；

(3)向步骤(2)的溶液中加入0.05～2M酸性溶液，调节溶液的pH值至 0.1～1，搅拌反应5～24h，离心，干燥，获得偏钛酸前驱体。