一种碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。本发明专利技术所述方法采用水热方法将三价铁盐溶液与葡萄糖溶液反应，利用碳在高温中吸附离子的特点，制备出碳包覆四氧化三铁纳米微球，从而解决在锂离子电池负极材料中四氧化三铁的膨胀问题；碳包覆四氧化三铁纳米微球具有良好的结晶性，良好的循环性能，以及更高的放电容量。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法
本专利技术涉及一种碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，属于纳米材料制备

技术介绍
随着化石燃料的消耗，化石燃料的储备逐渐减少，随之而来的是大气的污染。现在急需一种兼具高能量密度，高比表面积，高锂离子传输效率的锂电池材料制备高容量锂电池来替代化学能源。四氧化三铁是地球含量第二高的金属元素，作为一种高能量密度材料，其价格经济，资源含量丰富，性能稳定，具有高倍率性能以及高的能量保有率，可以快速的进行充放电，放电点位低等特点，在锂电池领域具有极佳的优良前景。碳储量丰富，化学性质稳定，循环性能好，价格经济，具有良好的导电性，因而是一种良好的导电材料。然而，随着近年来新能源汽车、手机、电脑等电子设备的发展，锂电池的需求越来越多。作为锂电池负极材料的石墨理论比容量仅为372mAh/g，在充放电时还会产生致密的SEI膜使其放电比容量进一步减少。石墨作为锂电池的负极材料已经不能满足现在电子设备的需要。四氧化三铁在充放电过程中存在膨胀变化，造成容量迅速衰减导致锂电池循环性能下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，将碳材料和四氧化三铁材料的优点集中在一起，本专利技术制备的碳包覆四氧化三铁微球具有更大的比表面积，同时碳包覆四氧化三铁双层纳米微球可以更好的束缚四氧化三铁，解决四氧化三铁的膨胀问题，而且使其电导率大大增强；从而使其放电容量，具体包括以下步骤：（1）按20~31g/L的比例将三价铁盐加入无水乙醇中，搅拌使铁盐溶解，形成溶液A；（2）按22~25g/L的比例将糖类作为还原剂加入至去离子水中，搅拌使糖溶解，形成溶液B；（3）将溶液B加入溶液A中，搅拌并超声震荡，使溶液A和溶液B充分混合；转移至高压反应釜中，140~210℃加热6-24h；（4）将反应后的溶液洗涤、离心、干燥得到棕色的沉淀产物；（5）将步骤（4）得到的棕色粉末进行退火，然后置于0.4~0.5mol/L硝酸溶液中处理4~24h，使用去离子水洗涤至中性得到碳包覆四氧化三铁纳米微球。优选的，本专利技术步骤（3）中去离子水和无水乙醇的体积比为(1-1.5):1。优选的，本专利技术步骤（4）中干燥温度为60-80℃。优选的，本专利技术步骤（1）中所述铁盐为九水合硝酸铁、氯化铁、三水合氯化铁、四水合氯化铁、六水合氯化铁中的一种。优选的，本专利技术步骤（5）中退火条件为：450-650℃退火4h。本专利技术的有益效果为：本专利技术制备出的碳包覆四氧化三铁纳米微球，微球尺寸在20~200nm，性能较好，利用物理和化学方法制备出碳包覆四氧化三铁纳米微球，将其应用于锂电池中具有良好的循环性能，良好的稳定性以及良好的倍率性能。其制备成本较低，制备方法简单，加工过程环境友好等优点，在锂离子负极材料的应用中具有良好的应用前景。附图说明图1为实施例1所制得碳包覆四氧化三铁纳米微球结构图；图2为实施例2所制得碳包覆四氧化三铁纳米微球首次充放电容量图；图3为实施例2所制得碳包覆四氧化三铁纳米微球50次放电图；图4为实施例1所制得碳包覆四氧化三铁纳米微球XRD图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术做进一步的说明，单本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1本实施例所述碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，具体包括以下步骤：（1）按20g/L的比例将九水合硝酸铁加入至30mL无水乙醇中，缓慢搅拌使铁盐溶解，形成溶液A。（2）按25g/L的比例将一水合葡萄糖作为还原剂加入至20mL去离子水中，缓慢搅拌使糖溶解，形成溶液B。（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，缓慢搅拌30min超声震荡，使溶液A和溶液B充分混合；转移至高压反应釜中，加热温度140℃加热4h。（4）将反应后的溶液洗涤、离心、80℃干燥，得到棕色的沉淀产物。（5）将干燥棕色粉末置于管式炉中进行高温500℃退火2h,然后置于0.4mol/L硝酸溶液中处理4h，使用去离子水洗涤至中性得到碳包覆四氧化三铁纳米微球。将制备好的碳包覆四氧化三铁纳米活性材料均匀的涂在铜箔上，在充满氩气的手套箱内装配成纽扣电池；然后对锂离子电池进行恒流恒压充放电测试；该锂离子电池首次放电容量高达1853mAh/g；经过50个循环后仍有780mAh/g的容量。本实施例得到的碳包覆四氧化三铁纳米微球表面形貌图如图1所示，在扫描电镜下测试中发现制得的材料尺寸在50nm左右。本实施例得到碳包覆四氧化三铁纳米微球材料XRD图如图4所示，通过和标准PDF卡片对比，发现其与四氧化三铁相吻合。实施例2本实施例所述碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，具体包括以下步骤：（1）按29g/L的比例将九水合硝酸铁加入至20mL无水乙醇中，缓慢搅拌使铁盐溶解，形成溶液A。（2）按24g/L的比例将糖类作为还原剂加入至20mL去离子水中，缓慢搅拌使糖溶解，形成溶液B。（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，缓慢搅拌30min超声震荡，使溶液A和溶液B充分混合；转移至高压反应釜中，加热温度为190℃保持9h。（4）将反应后的溶液洗涤、离心、80℃干燥，得到棕色的沉淀产物。（5）将干燥棕色粉末置于管式炉中进行高温500℃退火2h,然后置于0.4mol/L硝酸溶液中处理15h，使用去离子水洗涤至中性得到碳包覆四氧化三铁纳米微球。将制备好的碳包覆四氧化三铁纳米活性材料均匀的涂在铜箔上，在充满氩气的手套箱内装配成纽扣电池；然后对锂离子电池进行恒流恒压充放电测试。本实施例制备的碳包覆四氧化三铁纳米微球首次充放电如图2所示，该锂离子电池首次放电容量高达1917mAh/g；本实施例制备的碳包覆四氧化三铁纳米微球50次循环图如图3所示经过50个循环后仍有860mAh/g的容量；从而证明碳包覆四氧化三铁纳米微球具有较高的稳定性，彻底解决了Fe3O4的膨胀率问题。实施例3本实施例所述碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，具体包括以下步骤：（1）按28g/L的比例将九水合硝酸铁加入至20mL无水乙醇中，缓慢搅拌使铁盐溶解，形成溶液A。（2）按24g/L的比例将糖类作为还原剂加入至20mL去离子水中，缓慢搅拌使糖溶解，形成溶液B。（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，缓慢搅拌30min超声震荡，使溶液A和溶液B充分混合；转移至高压反应釜中，加热温度180℃加热6h。（4）将反应后的溶液洗涤、离心、80℃干燥，得到棕色的沉淀产物。（5）将干燥棕色粉末置于管式炉中进行高温650℃退火2h,然后置于0.4mol/L硝酸溶液中处理20h，使用去离子水洗涤至中性得到碳包覆四氧化三铁纳米微球。将制备好的碳包覆四氧化三铁纳米活性材料均匀的涂在铜箔上，在充满氩气的手套箱内装配成纽扣电池；然后对锂离子电池进行恒流恒压充放电测试；经过测试，该锂离子电池首次放电容量高达1629mAh/g；经过50个循环后仍有772mAh/g的容量。实施例4本实施例所述碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，具体包括以下步骤：（1）按25g/L的比例将九水合硝酸铁加入至14mL无水乙醇中，缓慢搅拌使铁盐溶解，形成溶液A。（2）按23g/L的比例将糖类作为还原剂加入至10mL去离子水中，缓慢搅拌使糖溶解，形成溶液B。（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，缓慢搅拌30min超声震荡，使溶液A和溶液B充分混合；转移至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）按20~31g/L的比例将三价铁盐加入无水乙醇中，搅拌使铁盐溶解，形成溶液A；（2）按22~25g/L的比例将糖类作为还原剂加入至去离子水中，搅拌使糖溶解，形成溶液B；（3）将溶液B加入溶液A中，搅拌并超声震荡，使溶液A和溶液B充分混合；转移至高压反应釜中，140~210℃加热6‑24h；（4）将反应后的溶液洗涤、离心、干燥得到棕色的沉淀产物；（5）将步骤（4）得到的棕色粉末进行退火，然后置于0.4~0.5mol/L硝酸溶液中处理4~24h，使用去离子水洗涤至中性得到碳包覆四氧化三铁纳米微球。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆四氧化三铁纳米微球的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）按20~31g/L的比例将三价铁盐加入无水乙醇中，搅拌使铁盐溶解，形成溶液A；（2）按22~25g/L的比例将糖类作为还原剂加入至去离子水中，搅拌使糖溶解，形成溶液B；（3）将溶液B加入溶液A中，搅拌并超声震荡，使溶液A和溶液B充分混合；转移至高压反应釜中，140~210℃加热6-24h；（4）将反应后的溶液洗涤、离心、干燥得到棕色的沉淀产物；（5）将步骤（4）得到的棕色粉末进行退火，然后置于0.4~0.5mol/L硝酸溶液中处理4~24h，使用去离子水洗涤至中性...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建雄，时启伟，甄建政，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53