一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于电极材料技术领域，具体涉及一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料及其制备方法。所述电极材料为管中线结构；管中线结构中，纳米管的壁厚为20

【技术实现步骤摘要】
一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于电极材料
，具体涉及一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]为了应对加剧的化石能源危机和由于传统能源消费造成的环境污染，包括太阳能、风能和潮汐能在内的清洁能源在能源结构中的比例近年来缓慢上升。作为新能源转换过程的“桥梁”的二次电池和电化学电容器也备受关注。
[0003]对于作为一次能源的太阳能电池或者充当储能装置的二次电池和电化学电容器来说，其电极材料的结构和形貌对器件的性能有着至关重要的影响。目前的主要研究兴趣集中在如何合理的控制和精确的设计具有特殊形貌的电极材料，以及实现定制性能的纳米功能材料。
[0004]在各种纳米结构材料中，一维(1D)纳米结构材料是一种两维受限的纳米体系，因为独特的物理化学特性(如小尺寸效应、表面效应等)，其在催化、能量转换和存储装置、气体传感器等应用中有着巨大的潜力，日益成为最具吸引力的纳米结构材料。迄今为止，各种物理的、化学的合成技术在制备1D纳米结构材料方面(如纳米纤维、纳米带和纳米管)取得了巨大的成功。其中，纳米管材料是一种特殊的1D结构，由于其同时具有中空结构和1D结构的优势，使其在各种应用中表现出更强的竞争优势。然而，由于制备工艺的限制，大多数文献和专利报道的1D管状结构相对简单。与简单的纳米管状结构材料相比，复杂的纳米管状结构有望为基础研究提供更为丰富的研究载体，并带来多种的物理、化学性能的改变。目前合成复杂纳米管状结构的方法，主要为模板法、溶剂热法、以及电纺纤维的溶剂热二次包覆法等等。但是，这些方法合成步骤复杂、成本高、可重复性差，而且在每次合成过程中能产生的纳米结构产量相对有限。
[0005]稀土钛酸盐材料在光、电、磁、热以及光催化、能量存储等方面有着极为广泛的应用前景。将稀土钛酸盐纳米化以后，其催化与电化学性能可能会发生很大变化，更能适用于二次电池、电化学电容器、以及光伏器件等领域。稀土钛酸盐材料的常规合成需要1000℃以上的高温，而且由于作为钛酸盐前驱体的钛源在空气中受到空气中的水蒸气的影响容易迅速发生水解，所以采用常规途径合成复杂形貌的稀土钛酸盐材料一直以来都是该领域的难点。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种制备稀土钛酸盐管中线纳米结构电极材料的方法。该管中线纳米结构采用静电纺丝技术，通过控制纺丝的环境温度与环境湿度，来获得前驱体纤维，结合后续的高温退火过程，获得最终的稀土钛酸盐管中线纳米结构。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方法如下：
[0008]本专利技术一方面提供一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料，所述电极材料为
管中线结构；所述管中线结构中，纳米管的壁厚为20
‑
30nm，外径为180
‑
300nm，纳米管中的纳米线的直径为80
‑
120nm，由纳米颗粒相互连接得到。
[0009]上述技术方案中，进一步地，所述管中线结构的长度为200
‑
1000nm。
[0010]本专利技术另一方面提供一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0011](1)将钛酸丁酯和稀土硝酸盐溶于溶剂中，随后将聚乙烯吡咯烷酮溶解于含有钛酸丁酯和稀土硝酸盐的混合溶液中，搅拌静置得到澄清透明的纺丝液，其中纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为7
‑
20％；
[0012](2)将步骤(1)得到的纺丝液转移进静电纺丝装置中，采用单咀纺丝头进行静电纺丝，得到前驱体纳米纤维；
[0013](3)将步骤(2)得到的前驱体纳米纤维进行真空干燥，并通过程序升温过程进行退火处理，得到管中线结构的稀土钛酸盐纳米电极材料。
[0014]上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)中，溶剂为乙醇、N
‑
N二甲基甲酰胺、乙酸的混合液，乙醇、N
‑
N二甲基甲酰胺、乙酸的体积比为0.46
‑
0.49:0.46
‑
0.49:0.02
‑
0.08。
[0015]上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)中，钛酸丁酯、稀土硝酸盐的摩尔比为(1
‑
1.05):1。
[0016]上述技术方案中，进一步地，所述稀土硝酸盐包括硝酸镥、硝酸钇、硝酸镧、硝酸镱。
[0017]上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)中，静电纺丝工艺参数为：纺丝电压14
‑
18kV，收集距离15
‑
20cm，喷嘴口径0.9
‑
1.5mm，环境温度为20
‑
30℃，环境湿度为40
‑
45％。
[0018]上述技术方案中，进一步地，所述步骤(3)中，程序升温速率1
‑
2℃/min，升温至700
‑
900℃进行退火处理，保温4
‑
8h。
[0019]本专利技术再一方面提供一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料的应用。
[0020]该纳米电极材料在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等领域有着潜在的应用优势。
[0021]另外，该管中线纳米结构还可以荷载染料，在染料太阳能电池方面也有潜在的应用前景。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]本专利技术纳米结构的电极材料具有特殊的次生形貌，具有大量的分级孔结构和较大的比表面积，有利于实现从内部到界面表面的电荷转移和离子扩散，缩短离子扩散距离，改善电子传输性能，加速电化学反应过程中的法拉第过程，能够高百分比的暴露表面原子增强用于氧化还原反应的活性中心和电极与电解液之间的接触面积，为在原子级水平上调整储能性能提供了一种有希望的可能性。该材料纳米结构的内部空间可以削弱连续充放电过程中的体积膨胀，并实现有利的循环和倍率性能。
附图说明
[0024]图1为本专利技术所述纳米管中线结构示意图；
[0025]图中：1、纳米管，2、纳米线；
[0026]图2为实施例1制得的Lu2Ti2O7纳米材料的SEM图；
[0027]图3为实施例1制得的Lu2Ti2O7纳米材料的TEM图；
[0028]图4为实施例1制得的Lu2Ti2O7纳米材料的XRD图；
[0029]图5为实施例2制得的Y2Ti2O7纳米材料的SEM图；
[0030]图6为实施例2制得的Y2Ti2O7纳米材料的TEM图；
[0031]图7为实施例2制得的Y2Ti2O7纳米材料的XRD图；
[0032]图8为实施例1制得的Lu2Ti2O7纳米材料的电容
‑
电势曲线。
具体实施方式
[0033]以下结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。
[0034]实施例1
[0035](1)将4.0g PVP(M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料，其特征在于，所述电极材料为管中线结构；所述管中线结构中，纳米管的壁厚为20
‑
30nm，外径为180
‑
300nm，纳米管中的纳米线的直径为80
‑
120nm，由纳米颗粒相互连接得到。2.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述管中线结构的长度为200
‑
1000nm。3.一种权利要求1
‑
2任一项所述具有管中线结构的稀土钛酸盐电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将摩尔比为钛酸丁酯和稀土硝酸盐溶于溶剂中，随后将聚乙烯吡咯烷酮溶解于含有钛酸丁酯和稀土硝酸盐的混合溶液中，搅拌静置得到澄清透明的纺丝液，其中纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为7
‑
20％；(2)将步骤(1)得到的纺丝液转移进静电纺丝装置中，采用单咀纺丝头进行静电纺丝，得到前驱体纳米纤维；(3)将步骤(2)得到的前驱体纳米纤维进行真空干燥，并通过程序升温过程进行退火处理，得到管中线结构的稀土钛酸盐纳米电极材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，溶剂为乙醇、N
‑
N二甲基甲酰胺、乙酸的混合液，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于洪全，田壮，陈宝玖，孙佳石，程丽红，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：