一种静电纺丝原位还原制备的Ti4O7纳米纤维及其方法技术

本发明专利技术公开了一种静电纺丝原位还原制备的Ti4O7纳米纤维及其方法，属于纳米材料制备技术领域。利用静电纺丝原位还原制备的Ti4O7纳米纤维平均直径约100nm，呈项链状结构，长度为50μm以上。Ti4O7纳米纤维的制备方法采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为纤维模板和碳源，钛酸丁酯(TTIP)为钛源；结合静电纺丝技术与热处理工艺，通过静电纺丝技术制得前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维；将其进行热处理，碳源热分解产生C与钛源热分解生成TiO2，在一定条件下，两者原位还原制得Ti4O7纳米纤维。该Ti4O7纳米纤维具有形貌可控，颗粒尺寸小，比表面积大的特点。此外本发明专利技术所述制备方法工艺简单可行，过程可控性强，易于工业化生产。

Ti4O7 nanofibers prepared by electrospinning in situ reduction and its method

The invention discloses a Ti4O7 nanofiber prepared by in-situ reduction of electrospinning and a method thereof, which belongs to the technical field of nanomaterial preparation. The average diameter of Ti4O7 nanofibers prepared by in-situ reduction of electrospinning is about 100 nm, and the nanofibers are necklace-like structure with a length of more than 50 microns. Ti4O7 nanofibers were prepared by using polyvinylpyrrolidone (PVP) as template and carbon source, and butyl titanate (TTIP) as titanium source. The precursor PVP/TTIP composite nanofibers were prepared by electrospinning combined with heat treatment technology. After heat treatment, carbon source was decomposed into C and titanium source to form titanium dioxide. Under certain conditions, both of them were in situ. Ti4O7 nanofibers were prepared. The Ti4O7 nanofibers are characterized by controllable morphology, small particle size and large specific surface area. In addition, the preparation method is simple and feasible, the process is controllable and easy to industrialize.

【技术实现步骤摘要】
一种静电纺丝原位还原制备的Ti4O7纳米纤维及其方法
本专利技术属于纳米材料制备
，特别涉及一种静电纺丝原位还原制备的Ti4O7纳米纤维及其方法。
技术介绍
Ti4O7纳米纤维材料由于其具有优异的导电性、耐腐蚀性、电化学稳定性、绿色环保等优点，可作为一种极具应用前景的节能高效环保型陶瓷电极材料，可望应用于高性能超级电容器领域。目前Ti4O7常通过TiO2高温还原法制备，按还原剂的物相可分为以下两种方法：(1)固相还原法：碳黑作为还原剂和空间位阻剂，TiO2的还原程度受固相界面限制，较难获得单相Ti4O7，其电导率受Ti4O7的含量和颗粒大小的影响。(2)气相还原法：由于还原性气体具有良好的扩散性可改善反应动力学行为从而缩短反应时间，但由于缺少固相碳作为位阻剂，在高温还原条件下，产物颗粒烧结严重，使Ti4O7颗粒较大、比表面积较小且形貌较难控制。现有制备方法获得的Ti4O7颗粒尺寸大、比表面积小、形貌控制难和纯Ti4O7物相制备难，以及粉末状的Ti4O7在电极制作时因需要粘接剂和导电添加剂而易形成“死体积”阻断电子的传输和电解液向电极材料表面扩散，从而降低其电化学性能，这在一定程度上限制其在高性能超级电容器领域的应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种方法简单、形貌和颗粒尺寸可控、易于工业化生产的Ti4O7纳米纤维的静电纺丝原位还原制备方法。本专利技术解决其技术问题所采用技术方案是：一种静电纺丝原位还原制备Ti4O7纳米纤维的方法，所述方法包括以下步骤：S1：称取TTIP、EtOH、HAc，配制钛源溶液；称取PVP、EtOH，配制聚合物溶液，以聚合物PVP作为纳米纤维的模板及碳源；S2：将S1中的钛源溶液加入聚合物溶液中，搅拌均匀配制成静电纺丝溶液；在静电纺丝溶液配制过程中，固定碳源含量，通过调节TTIP的添加量（0~1.5g）来调控其碳/钛的比例。S3：将S2中配制的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维，即采用聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为模板和碳源，钛酸丁酯(TTIP)为钛源，得到前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维。S4：将前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维进行烧结，得到Ti4O7纳米纤维。优选的，在所述S1和S2中，在配制钛源溶液、聚合物溶液及静电纺丝溶液过程中，均需采用磁力搅拌，使溶液混合均匀，直至形成浅黄色澄清的静电纺丝溶液。优选的，在所述S3中，将浅黄色澄清的静电纺丝溶液装入带有不锈钢针头的针筒内，并将其置于微量注射泵上固定，注射泵的给料速率为1~1.5mL/h，所述不锈钢针头连接高压电源，工作电压为8~12kV，作为收集前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维的铝箔板接地设置，且保持铝箔板与不锈钢针头的工作距离为10~12cm。优选的，在所述S4中，前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维烧结的环境为真空气氛条件。优选的，在所述S4中，前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维在1100℃条件下烧结，在进行升温烧结过程中，500℃以下时，升温速率为5℃/min，500℃以上时，升温速率为10℃/min。在低于500℃的时候升温的速率低，高于500℃的时候升温的速率高，该设计可在充分去除聚合物残余碳含量的同时保持前驱体的纤维形貌不被破坏，从而提高产品的品质。优选的，在所述S4中，将烧结后的前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维冷却至100℃以下出炉，即得到Ti4O7纳米纤维。一种采用上述方法制备的Ti4O7纳米纤维，所述Ti4O7纳米纤维平均直径为100nm，呈项链状结构，长度大于50μm。本专利技术的有益效果是：本专利技术的Ti4O7纳米纤维的静电纺丝原位还原制备方法，采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为模板和碳源，钛酸丁酯(TTIP)为钛源；结合静电纺丝技术与热处理工艺，通过静电纺丝技术制得前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维；将其进行热处理，碳源聚合物热分解产生C与钛源热分解生成TiO2在一定条件下，两者原位还原制得Ti4O7纳米纤维。该Ti4O7纳米纤维具有形貌可控，颗粒尺寸小，比表面积大的特点。此外本专利技术所述制备方法工艺简单可行，过程可控性强，易于工业化生产。附图说明图1是本专利技术实施例3中制备的Ti4O7纳米纤维的扫描电镜图片；图2是本专利技术实施例3中制备的Ti4O7纳米纤维的X射线衍射图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全面的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。实施例1一种静电纺丝原位还原制备Ti4O7纳米纤维的方法，所述方法包括以下步骤：S1：称取0gTTIP、3mLEtOH、3mLHAc，采用磁力搅拌10min，搅拌均匀后配制成钛源溶液；称取7gPVP、93gEtOH，采用磁力搅拌12h，配制成质量分数为7wt%的PVP/EtOH溶液；S2：将S1中的钛源溶液加入6.43g质量分数为7wt%的PVP/EtOH溶液中，采用磁力搅拌2h后配制成无色澄清的静电纺丝溶液；S3：将S2中配制成的静电纺丝溶液装入带有不锈钢针头的体积为10mL的针筒，不锈钢针头的型号为G21，并将针筒置于微量注射泵上固定，设置给料速率为1mL/h；不锈钢针头连接高压电源，工作电压为8kV；铝箔板作为接收器并接地，保持不锈钢针头到接收板的工作距离为12cm；进行静电纺丝，在铝箔板上收集前驱体PVP纳米纤维，并将其置于80℃烘箱干燥保存；S4：将制备好的前驱体PVP纳米纤维在真空条件下于1100℃烧结2小时。其中，烧结升温过程中，500℃以下时，调节升温速率为5℃/min，500℃以上时，调节升温速率为10℃/min，烧结结束后冷却至100℃以下出炉，即得到碳纳米纤维，碳纳米纤维平均直径为50nm，长度大于50μm。实施例2一种静电纺丝原位还原制备Ti4O7纳米纤维的方法，所述方法包括以下步骤：S1：称取1gTTIP、3mLEtOH、3mLHAc，采用磁力搅拌10min，搅拌均匀后配制成钛源溶液；称取7gPVP、93gEtOH，采用磁力搅拌12h，配制成质量分数为7wt%的PVP/EtOH溶液；S2：将S1中的钛源溶液加入6.43g质量分数为7wt%的PVP/EtOH溶液中，采用磁力搅拌2h后配制成浅黄色澄清的静电纺丝溶液；S3：将S2中配制成的静电纺丝溶液装入带有不锈钢针头的体积为10mL的针筒，不锈钢针头的型号为G21，并将针筒置于微量注射泵上固定，设置给料速率为1.2mL/h；不锈钢针头连接高压电源，工作电压为10kV；铝箔板作为接收器并接地，保持不锈钢针头到接收板的工作距离为11cm；进行静电纺丝，在铝箔板上收集前驱体PVP纳米纤维，并将其置于80℃烘箱干燥保存；S4：将制备好的前驱体PVP纳米纤维在真空条件下于1100℃烧结2小时。其中，烧结升温过程中，500℃以下时，调节升温速率为5℃/min，500℃以上时，调节升温速率为10℃/min，烧结结束后冷却至100℃以下出炉，即得到C/Ti4O7复合纳米纤维，纤维平均直径为80nm，长度大于50μm。实施例3一种静电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静电纺丝原位还原制备Ti4O7纳米纤维的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：称取TTIP、EtOH、HAc，配制钛源溶液；称取PVP、EtOH，配制聚合物溶液；S2：将S1中的钛源溶液加入聚合物溶液中，搅拌后配制成静电纺丝溶液；S3：将S2中配制成的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维；S4：将前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维进行烧结，得到Ti4O7纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.一种静电纺丝原位还原制备Ti4O7纳米纤维的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：称取TTIP、EtOH、HAc，配制钛源溶液；称取PVP、EtOH，配制聚合物溶液；S2：将S1中的钛源溶液加入聚合物溶液中，搅拌后配制成静电纺丝溶液；S3：将S2中配制成的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维；S4：将前驱体PVP/TTIP复合纳米纤维进行烧结，得到Ti4O7纳米纤维。2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝原位还原制备Ti4O7纳米纤维的方法，其特征在于：在所述S1和S2中，在配制钛源溶液、聚合物溶液及静电纺丝溶液过程中，均需采用磁力搅拌，使溶液混合均匀，直至形成浅黄色澄清的静电纺丝溶液。3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝原位还原制备Ti4O7纳米纤维的方法，其特征在于：在所述S3中，将浅黄色澄清的静电纺丝溶液装入带有不锈钢针头的针筒内，并将其置于微量注射泵上固定，注射泵的给料速率为1~1.5mL/h，所述不锈钢针头连接高压电源，工作电压为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓娇，刘颖，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51