本發(fā)明涉及一種二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的制備方法，尤其涉及一種微波輻射制備二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的方法，主要用作超級(jí)電容器的電極材料。

背景技術(shù)：

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)不可忽視，發(fā)展一種可持續(xù)的清潔高效的能源和儲(chǔ)能方式迫在眉睫。超級(jí)電容器作為一種高效、清潔、可持續(xù)的能源設(shè)備，受到廣泛關(guān)注。超級(jí)電容器具有功率密度高、低溫性能好、使用壽命長(zhǎng)和高安全性等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用到電子產(chǎn)品及能量回收和存儲(chǔ)領(lǐng)域。

二維層狀碳化鈦，由于其獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)、較小的顆粒尺寸、較大的比表面積，優(yōu)異的導(dǎo)電性、大的比表面積和高倍率穩(wěn)定性而具有超強(qiáng)的電化學(xué)性能，廣泛的應(yīng)用于電容器、鋰離子電池、太陽(yáng)能電池等中。納米二氧化鈦不僅具有極好的高倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性、快速充放電性能和較高的容量，納米二氧化鈦還能有效降低電容器的容量衰減，增加電容器穩(wěn)定性，提高電化學(xué)性能。二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料結(jié)合了二維層狀碳和納米二氧化鈦的特性，具有良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無(wú)毒性等，被廣泛應(yīng)用于電容器、鋰離子電池等中。

目前制備二氧化鈦/層狀碳材料的方法大多采用水熱法和原位法，水熱法需要高溫進(jìn)行反應(yīng)，能耗高，成本也高；原位法需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，效率低；而且主要作為鋰離子電池、鈉離子電池的電極材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)水熱法和原位法能耗高，效率低的問(wèn)題，提供一種微波輻射合成二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的方法；

一、二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的制備

本發(fā)明微波輻射制備二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的方法，包括以下工藝步驟：

（1）ti3c2tx層狀材料的制備：將三元max相材料ti3alc2粉末（粒度為500~2000目）浸泡在10~40wt%氫氟酸溶液中，在持續(xù)攪拌下于20~50°c刻蝕反應(yīng)2~24h；反應(yīng)結(jié)束后抽濾，產(chǎn)物用蒸餾水和無(wú)水乙醇反復(fù)清洗，得到黑色粉末產(chǎn)物，置于干燥箱，于40~80°c下保溫干燥8~24h，得到層片間存有縫隙的ti3c2tx層狀材料；

（2）二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的制備：將ti3c2tx與導(dǎo)電炭黑以1:0.01~1:0.1的質(zhì)量比混合后充分研磨，然后放入微波加熱裝置內(nèi)，在功率為600~1200w下，微波輻射10~60s，得到二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料。

圖1（a）為經(jīng)過(guò)氫氟酸刻蝕后的ti3alc2粉末（ti3c2tx層狀材料）的sem圖，圖1（b）為二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的sem圖。由圖1（b）及插圖可以看出，層狀碳材料ti3c2tx的片層結(jié)構(gòu)明顯變薄，并且表面和片層結(jié)構(gòu)內(nèi)都生成了尺寸較為均勻的二氧化鈦顆粒，生長(zhǎng)在片層內(nèi)的納米顆粒明顯連接兩個(gè)片層，這就形成了一個(gè)較為粗糙的三維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料在超級(jí)電容器上的應(yīng)用。

二、二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能

為測(cè)試二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能，將質(zhì)量比為8:1:1的二氧化鈦/層狀碳納米復(fù)合材料、導(dǎo)電炭黑、聚四氟乙烯（ptfe）混合成電極漿料，然后將漿料分散在面積為1cm²泡沫鎳片上，隨后將電極在40~80°c下干燥8~24h，最終得到了二氧化鈦/層狀碳電極。電極在三電極體系下使用3mol/lkoh電解液對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，參比電極和對(duì)電極分別是hg/hgo和鉑片電極。電極材料利用電化學(xué)工作站分別在1a/g的電流密度下進(jìn)行恒電流充放電測(cè)試得到電極材料的比電容，利用電池測(cè)試系統(tǒng)在1a/g的電流密度下經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)，考察其循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)電化學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果顯示，該電極材料在1a/g的電流密度下比電容可達(dá)171f/g，經(jīng)過(guò)5000次恒電流充放電循環(huán)，比電容為原來(lái)的91%以上。

綜上所述，本發(fā)明微波輻射制備二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，能耗低；制備時(shí)間較短，效率高。獲得的二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料具有優(yōu)良的電化學(xué)性能，應(yīng)用在超級(jí)電容器上，具有較高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為經(jīng)過(guò)刻蝕后的ti3alc2粉末（a）及二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料（b）的sem圖。

具體實(shí)施方式

下述通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的具體制備方法及性能作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

（1）ti3c2tx層狀材料的制備：將0.1946g三元max相材料ti3alc2粉末（粒度為500~2000目）浸泡在30ml20wt%氫氟酸溶液中，在20℃刻蝕反應(yīng)24h，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)磁力攪拌；之后抽濾，產(chǎn)物用蒸餾水和無(wú)水乙醇清洗各三次，得到黑色粉末產(chǎn)物，再放入干燥箱于50℃干燥18h，即得ti3c2tx層狀材料；

（2）二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的制備：取ti3c2tx層狀材料200mg，導(dǎo)電炭黑20mg，放入瑪瑙研缽中，研磨30min至均勻，然后放入微波反應(yīng)裝置內(nèi)，在微波功率600w下輻射60s，即得到二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料。

（3）二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能：取二氧化鈦/層狀碳40mg，導(dǎo)電炭黑5mg和聚四氟乙烯5mg，通過(guò)乙醇混合為均勻漿料后分散在面積為1cm²泡沫鎳片上，60℃下干燥12h。經(jīng)過(guò)電化學(xué)性能的測(cè)試，電極材料在1a/g的電流密度下比電容為171f/g，經(jīng)過(guò)5000次恒電流充放電循環(huán)，比電容為原來(lái)的93%。因此，具有較高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

實(shí)施例2

（1）ti3c2tx層狀材料的制備：將0.5g三元max相材料ti3alc2粉末（粒度為500~2000目）浸泡在50ml30wt%氫氟酸溶液中，在40℃刻蝕反應(yīng)12h，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)磁力攪拌；之后抽濾，產(chǎn)物用蒸餾水和無(wú)水乙醇清洗各三次，得到黑色粉末產(chǎn)物，再放入干燥箱于60℃干燥24h，即得ti3c2tx層狀材料；

（2）二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的制備：取ti3c2tx層狀材料100mg和導(dǎo)電炭黑1mg，放入瑪瑙研缽中，研磨10min至均勻，然后放入微波反應(yīng)裝置內(nèi)，在微波功率為700w下輻射10s，即得到二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料。

（3）二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能：取二氧化鈦/層狀碳80mg，導(dǎo)電炭黑10mg和聚四氟乙烯10mg，通過(guò)乙醇混合為均勻漿料后分散在面積為1cm²泡沫鎳片上，40℃下干燥24h。經(jīng)過(guò)電化學(xué)性能的測(cè)試，電極材料在1a/g的電流密度下比電容為162f/g，經(jīng)過(guò)5000次恒電流充放電循環(huán)，比電容為原來(lái)的92%。因此，具有較高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

實(shí)施例3

（1）ti3c2tx層狀材料的制備

將0.937g三元max相材料ti3alc2粉末（粒度為500~2000目）浸泡在40ml、40wt%氫氟酸溶液中，在50℃刻蝕反應(yīng)18h，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)磁力攪拌；之后抽濾，產(chǎn)物用蒸餾水和無(wú)水乙醇清洗各三次,得到黑色粉末產(chǎn)物，再放入干燥箱于40℃干燥12h，即得ti3c2tx層狀材料；

（2）二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的制備：取ti3c2tx層狀材料200mg和導(dǎo)電炭黑4mg，放入瑪瑙研缽中，研磨20min至均勻，然后放入微波反應(yīng)裝置內(nèi)，在微波功率800w下輻射30s，即得到二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料。

（3）二氧化鈦/層狀碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能：取二氧化鈦/層狀碳48mg，導(dǎo)電炭黑6mg和聚四氟乙烯6mg，通過(guò)乙醇混合為均勻漿料后分散在面積為1cm²泡沫鎳片上，70℃下干燥10h。經(jīng)過(guò)電化學(xué)性能的測(cè)試，電極材料在1a/g的電流密度下比電容為157f/g，經(jīng)過(guò)5000次恒電流充放電循環(huán)，比電容為原來(lái)的91%。因此，具有較高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。