本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料的制备方法，属于无机功能材料的合成技术领域。本发明专利技术的技术方案要点为：利用水热刻蚀法对立方体的α‑Fe2O3进行了刻蚀，经过沿体心方向刻蚀后得到了具有分级通孔结构的α‑Fe2O3立方体，通孔结构的存在缓解材料的体积膨胀，同时提升了电解液的扩散动力学过程，然后通过碳包覆和热处理得到了氮掺杂碳包覆的分级通孔四氧化三铁复合负极材料Fe3O4@N‑C，增加了材料的导电性和稳定性。同时，通过对刻蚀过程中酸浓度的调控得到了结构稳定性良好的复合材料，进一步改善了电极材料的循环稳定性能。
【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料的制备方法
本专利技术属于无机功能材料的合成
，具体涉及一种氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料的制备方法。
技术介绍
在全球能源危机和环境危机的挑战下，新能源的开发与环境治理显得尤为重要，合成廉价、环保、高效材料并在实际中应用，是解决能源和环境问题的有效途径。和商业石墨相比，过渡金属氧化物通常具有较高的理论容量，因此过渡金属氧化物是一种比较有前景的替代品。Fe3O4是过渡金属氧化物家族中一个重要的成员，理论容量高达926mAhg-1。Fe3O4由于自身的很多特点如丰富多产、低成本、无毒、合成工艺简单以及稳定性良好等，成为一种良好的锂离子电池负极材料。但是，金属氧化物在锂电负极材料的应用过程中常常遇到一些难以克服的问题，如较差的导电性、较高的初始容量损失及较大的体积变化。其中，Fe3O4在充放电过程中产生的体积膨胀是限制该材料产业化的主要因素。虽然广大科研工作者对其形貌、尺寸做了大量的研究对比，在一定程度上使得循环稳定性得到了改善，但是仍然难以满足人们的需求。公开号为CN103227324A的专利公开了一种锂离子电池氧化铁负极材料的制备方法，在0.1Ag-1的电流密度下，经过20次充放电循环之后可逆容量仅仅保持在454.8mAhg-1。公开号为CN106450189A的专利公开了用氮掺杂的碳包覆氧化铁负极材料，在1C倍率下，初始可逆放电比容量仅仅有647mAhg-1，循环100圈后，容量只有624mAhg-1。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的氮掺杂碳包覆分级通孔四氧化三铁复合负极材料的制备方法，该方法制得的复合负极材料是通过利用水热刻蚀法对立方体的α-Fe2O3进行刻蚀，经过沿体心方向刻蚀后得到多孔的α-Fe2O3立方体，然后通过碳包覆和热处理得到氮掺杂碳包覆的Fe3O4@N-C复合负极材料，有效增加材料的导电性，同时通过对刻蚀过程中酸浓度的调控得到了结构稳定性良好的复合负极材料，进一步改善了电极材料的循环稳定性能。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）将0.1gα-Fe2O3加入到30mL摩尔浓度为0.2～0.6molL-1的盐酸溶液中，搅拌5min，将混合溶液转移至聚四氟反应釜中并于160℃水热反应12h，冷却至常温后离心，将所得到的红色沉淀用去离子水和乙醇分别润洗3次，再于60℃干燥2h得到刻蚀处理的α-Fe2O3；（2）将0.3g刻蚀处理的α-Fe2O3加入到150mL摩尔浓度为10mM的Tris溶液中，搅拌10min，加入0.15g盐酸多巴胺，常温下搅拌6h，将溶液离心后分别用去离子水和乙醇洗涤3次，再于60℃干燥2h得到包覆多巴胺的样品，然后干燥过夜，在氮气环境下将得到的产物于500～600℃煅烧2～4h得到氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料Fe3O4@N-C。进一步优选，步骤（1）中所述盐酸溶液的摩尔浓度优选为0.4molL-1。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术利用水热刻蚀法对立方体的α-Fe2O3进行刻蚀，经过沿体心方向刻蚀后得到多级通孔结构的α-Fe2O3，通孔结构的存在提高了材料对体积膨胀的环节，同时提升了电解液的扩散动力学过程。通过碳包覆和热处理得到氮掺杂碳包覆的分级通孔结构四氧化三铁Fe3O4@N-C，增加了材料的导电性。同时，通过对刻蚀过程中酸浓度的调控得到了结构稳定性良好的复合材料，进一步改善了电极的循环稳定性能。附图说明图1为α-Fe2O3（a，b）以及不同酸度对α-Fe2O3进行水热刻蚀后形貌（α-Fe2O3-0.2（c，d）、α-Fe2O3-0.4（e，f）、α-Fe2O3-0.6（g，h））的SEM图；图2为α-Fe2O3在N2环境下煅烧后得到的α-Fe2O3-500（a-c）、对未处理的α-Fe2O3以及经过水热刻蚀的α-Fe2O3进行包碳并煅烧后形貌变化的SEM图（（Fe3O4@N-C）（d-f）、Fe3O4-0.2@N-C（g-i）、Fe3O4-0.4@N-C（j-l)、Fe3O4-0.6@N-C（m-o））；图3为α-Fe2O3-0.4、α-Fe2O3-500、Fe3O4@N-C、Fe3O4-0.2@N-C、Fe3O4-0.4@N-C、Fe3O4-0.6@N-C的XRD图；图4为未经处理的α-Fe2O3（a）、α-Fe2O3-0.4（b）以及Fe3O4-0.4@N-C（c）的TEM以及对单个Fe3O4-0.4@N-C（d）的Mapping分析（e-h）图；图5为样品Fe3O4-0.4@N-C在100mAg-1的循环性能测试图；图6为样品Fe3O4-0.4@N-C的倍率性能测试图。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例称量0.1gα-Fe2O3分别加入到盛有30mL摩尔浓度分别为0.2molL-1、0.4molL-1、0.6molL-1盐酸溶液的烧杯中，搅拌5min，将混合溶液转移至聚四氟反应釜中于160℃水热反应12h，冷却至常温后离心，将所得到的红色沉淀用去离子水和乙醇分别润洗3次，干燥过夜得到刻蚀处理的α-Fe2O3，分别记作α-Fe2O3-0.2、α-Fe2O3-0.4、α-Fe2O3-0.6。分别将0.3gα-Fe2O3及0.3g以上产物（α-Fe2O3-0.2、α-Fe2O3-0.4、α-Fe2O3-0.6）加入到150mL摩尔浓度为10nM的Tris溶液中，搅拌10min，加入0.15g盐酸多巴胺，常温下搅拌6h，将溶液离心后分别用去离子水和乙醇洗涤3次，干燥过夜得到包覆多巴胺的样品，分别记作α-Fe2O3@PDA、α-Fe2O3-0.2@PDA、α-Fe2O3-0.4@PDA、α-Fe2O3-0.6@PDA，干燥过夜，在氮气环境下所得到的产物于500℃煅烧4h得到Fe3O4@N-C、Fe3O4-0.2@N-C、Fe3O4-0.4@N-C、Fe3O4-0.6@N-C。将得到产品与PVDF和导电炭黑按照质量比7:2:1的比例涂覆在铜箔上，厚度大约为60μm，用冲片机将铜箔裁为直径为14mm的极片，组装成2025纽扣电池，进行电性能测试。本专利技术优化分析了刻蚀过程中不同酸浓度对电极材料倍率性能和循环性能的影响，通过简单的水热方式对立方体的α-Fe2O3沿着体心方向进行了不同程度的刻蚀，得到了多孔结构的立方体。继而通过氮掺杂的碳包覆和热处理，得到了碳涂层的Fe3O4@N-C，从而增强了电极材料的结构稳定性和导电性，在一定程度上提高了锂离子电池的循环性能和倍率性能。图1为本实施例制得样品的SEM图。如图1所示，在实验的过程中合成的物质与PDF#33-0664中α-Fe2O3（Hemaite，syn）的衍射峰一致，成功的合成了α-Fe2O3。图2为本实施例制得样品的SEM图。如图2所示，可以看到尺寸均匀的α-Fe2O3被成功合成，在N2环境下煅烧后有小孔产生。根据图2（d-o），我们发现样品在煅烧之后本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）将0.1 g α‑Fe2O3加入到30 mL摩尔浓度为0.2～0.6 mol L‑1的盐酸溶液中，搅拌5 min，将混合溶液转移至聚四氟反应釜中并于160℃水热反应12 h，冷却至常温后离心，将所得到的红色沉淀用去离子水和乙醇分别润洗3次，再于60℃干燥2 h得到刻蚀处理的α‑Fe2O3；（2）将0.3 g刻蚀处理的α‑Fe2O3加入到150mL摩尔浓度为10 mM的Tris溶液中，搅拌10 min，加入0.15 g盐酸多巴胺，常温下搅拌6 h，将溶液离心后分别用去离子水和乙醇洗涤3次，再于60℃干燥2 h得到包覆多巴胺的样品，然后干燥过夜，在氮气环境下将得到的产物于500～600℃煅烧2～4 h得到氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料Fe3O4@N‑C。
【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆分级通孔结构四氧化三铁复合负极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）将0.1gα-Fe2O3加入到30mL摩尔浓度为0.2～0.6molL-1的盐酸溶液中，搅拌5min，将混合溶液转移至聚四氟反应釜中并于160℃水热反应12h，冷却至常温后离心，将所得到的红色沉淀用去离子水和乙醇分别润洗3次，再于60℃干燥2h得到刻蚀处理的α-Fe2O3；（2）将0.3g刻蚀处理的α-Fe2O3加入到150mL摩尔浓度为10mM的T...
【专利技术属性】
技术研发人员：武大鹏，陈俊良，任好雨，刘宁，曹锟，徐芳，高志永，蒋凯，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41
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