含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法、用该方法制备的碳纳米网及其应用技术

本发明专利技术涉及一种含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法、用该方法制备的碳纳米网及其应用，它包括以下步骤：（a）将吡咯单体加入水中进行聚合反应得聚吡咯球分散液；（b）向所述分散液中加入亚铁盐进行配合反应，烘干后得PPy-Fe配合物；（c）将所述PPy-Fe配合物置于还原性气氛中进行煅烧碳化即可。避免了Fe/Fe3C直接暴露在电解液中而保护了Fe/Fe3C的结构和表面稳定性，另一方面还很好地调和了由Fe/Fe3C体积膨胀而产生的机械张力，抑制了Fe/Fe3C的聚合，因此保持了结构和电学完整性。因此，这种电极材料表现出很高的可逆比容量，倍率性能很不错，特别是稳定性很好。值得注意的是，材料和制作方法都可进行大规模制备，对于实际应用很有吸引力。

【技术实现步骤摘要】
含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法、用该方法制备的碳纳米网及其应用
本专利技术属于纳米材料领域，涉及一种碳纳米网，具体涉及一种含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法及用该方法制备的碳纳米网。
技术介绍
纳米网结构在很多领域内具有广泛的应用，这得益于它奇异的构造以及其可调和的物理及化学性能。合成纳米网结构的一个普遍的方法是使用模板。比如说，Heetal报道了利用稳定的NaCl颗粒作为合成石墨纳米网的方法；Weietal利用石墨烯/硅纳米片模板实现了对氮掺杂的碳纳米片上孔隙率的控制；Jungetal利用嵌段共聚物作为模板合成了非常整齐的薄膜纳米孔阵列。但是，模板法通常很浪费时间而且成本较高，这是因为需要合成模板而且实验步骤很多。因此我们迫切需要一种简易的无模板法来合成纳米网结构的材料。最近，铁基材料在锂电池领域表现出很好的性能，比如说Fe3C及其衍生物，它们有很多优点，例如理论容量高，无毒，含量丰富，不易腐蚀，价格低等。但是据我们所知，Fe3C基材料通常作为高性能的磁体和催化剂，另外，碳化物很少用于锂离子电池，原因有两个，一个是在循环过程中的体积膨胀和收缩，另一个是纯碳化物的导电性低。为了解决以上棘手的问题，提出了很多方法来提升电极材料的结构稳定性。这个问题可以通过制造不同形貌的纳米结构的电极材料得以部分解决，包括纳米颗粒，纳米片，纳米线，纳米棒，纳米管，以及空心纳米结构，因为纳米结构的材料与微米量级的材料相比，能更好地调和锂嵌入脱出过程中的张力。另一种方法是把碳质母体整合到活性材料中合成混合纳米结构的材料。很明显，混合物材料中的碳有以下几个功能：在导电性差的材料中作为导电添加剂提升电子传输，作为弹性缓冲支撑以提升电极的稳定性。为了能进行大规模应用，用高效节能的方法制备可持续性材料的概念很重要，比如说可再生的有机方法。很多研究都通过有机方法制造锂离子电池电极材料。聚吡咯，作为氮掺杂的一种碳源，是一种有着很好的导电性，储能性能，氧化还原和电容性电流以及热学和环境稳定性的有机聚合物材料。另外，一定量的氮掺杂可以提升材料的表面湿润度，容量以及电子导电性，同时保持很好的循环性能。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有技术的不足而提供一种含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法，它包括以下步骤：（a）将吡咯单体加入水中进行聚合反应得聚吡咯球分散液；（b）向所述分散液中加入亚铁盐进行配合反应，烘干后得PPy-Fe配合物；（c）将所述PPy-Fe配合物置于还原性气氛中进行煅烧碳化即可。优化地，步骤（a）中，所述聚合反应为在双氧水溶液和FeCl2·4H2O的引发下于0~30℃搅拌反应3~8小时。进一步地，步骤（a）中，吡咯单体、双氧水溶液、FeCl2·4H2O和水的比例为1~5ml：8~15ml：0.1~0.5g：80~150ml。进一步地，步骤（a）中，先向水中加入吡咯单体、FeCl2·4H2O，随后滴加双氧水溶液进行聚合反应。优化地，步骤（b）中，向所述分散液中加入FeCl2·4H2O，随后滴加双氧水溶液进行配合反应24小时以上使分散液变澄清透明，分散液、FeCl2·4H2O和双氧水溶液的比例为80~150ml：0.3~0.5g：15~25ml。进一步地，所述双氧水溶液中H2O2的质量浓度为20~35%。优化地，步骤（c）中，所述还原性气氛为氩气和氢气组成，其体积流量比为3~8：1，煅烧温度为600~1100℃。本专利技术的又一目的在于提供一种上述方法制备的含Fe/Fe3C的碳纳米网。本专利技术的再一目的在于提供一种含Fe/Fe3C的碳纳米网在锂离子电池负极材料中的应用。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法，使用了一种简易的无模板的方法合成了包含有Fe/Fe3C的氮掺杂的碳纳米网眼材料（简称N-Fe/Fe3C@C），使得Fe/Fe3C被碳纳米材料包覆，避免了Fe/Fe3C直接暴露在电解液中而保护了Fe/Fe3C的结构和表面稳定性，另一方面还很好地调和了由Fe/Fe3C体积膨胀而产生的机械张力，抑制了Fe/Fe3C的聚合，因此保持了结构和电学完整性。因此，这种电极材料表现出很高的可逆比容量，倍率性能很不错，特别是稳定性很好。值得注意的是，材料和制作方法都可进行大规模制备，对于实际应用很有吸引力。附图说明附图1为本专利技术含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法中混合液的状态变化图；附图2为本专利技术含Fe/Fe3C的碳纳米网制备方法的步骤示意图；附图3为本专利技术实施例1制备的N-Fe/Fe3C@C的扫描电镜图；附图4为本专利技术实施例2制备的N-Fe/Fe3C@C的扫描电镜图；图5是本专利技术实施例2制备的N-Fe/Fe3C@C的倍率及循环性能图。具体实施方式本专利技术含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法，它包括以下步骤：（a）将吡咯单体加入水中进行聚合反应得聚吡咯球分散液；（b）向所述分散液中加入亚铁盐进行配合反应，烘干后得PPy-Fe配合物；（c）将所述PPy-Fe配合物置于还原性气氛中进行煅烧碳化即可，如图2所示。使用了一种简易的无模板的方法合成了包含有Fe/Fe3C的氮掺杂的碳纳米网眼材料（简称N-Fe/Fe3C@C），使得Fe/Fe3C被碳纳米材料包覆，避免了Fe/Fe3C直接暴露在电解液中而保护了Fe/Fe3C的结构和表面稳定性，另一方面还很好地调和了由Fe/Fe3C体积膨胀而产生的机械张力，抑制了Fe/Fe3C的聚合，因此保持了结构和电学完整性。因此，这种电极材料表现出很高的可逆比容量，倍率性能很不错，特别是稳定性很好。值得注意的是，材料和制作方法都可进行大规模制备，对于实际应用很有吸引力。步骤（a）中，所述聚合反应为在双氧水溶液和FeCl2·4H2O的引发下于0~30℃搅拌反应3~8小时。吡咯单体、双氧水溶液、FeCl2·4H2O和水的比例为1~5ml：8~15ml：0.1~0.5g：80~150ml。步骤（a）中，先向水中加入吡咯单体、FeCl2·4H2O，随后滴加双氧水溶液进行聚合反应。步骤（b）中，向所述分散液中加入FeCl2·4H2O，随后滴加双氧水溶液进行配合反应24小时以上使分散液变澄清透明如图1所示，分散液、FeCl2·4H2O和双氧水溶液的比例为80~150ml：0.3~0.5g：15~25ml。所述双氧水溶液中H2O2的质量浓度为20~35%。步骤（c）中，所述还原性气氛为氩气和氢气组成，其体积流量比为3~8：1，煅烧温度为600~1100℃。将制得N-Fe/Fe3C@C、乙炔黑、PTFE粘结剂以7:2:1的质量比混合，涂在泡沫镍上制成电极，电极片在60℃下真空干燥24h作为负极；用锂片作为对电极，1mol/L的LiPF6溶于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲基乙基酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）按体积比4:3:3混合形成的电解液中作为电解质，Celgard2400作为隔膜制作成钮扣式电池（CR2025）。下面将结合附图实施例对本专利技术进行进一步说明。实施例1本实施例提供一种使用PPy-Fe配合物制备N-Fe/Fe3C@C纳米网眼材料作为锂离子电池负极材料的方法，具体为：（a）在室本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：（a）将吡咯单体加入水中进行聚合反应得聚吡咯球分散液；（b）向所述分散液中加入亚铁盐进行配合反应，烘干后得PPy‑Fe配合物；（c）将所述PPy‑Fe配合物置于还原性气氛中进行煅烧碳化即可。

【技术特征摘要】
1.一种含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：(a)将吡咯单体加入水中在0～30℃进行聚合反应得聚吡咯球分散液；(b)再向所述分散液中加入FeCl2·4H2O，随后滴加双氧水溶液进行配合反应，烘干后得PPy-Fe配合物；分散液、FeCl2·4H2O和双氧水溶液的比例为80～150ml：0.3～0.5g：15～25ml，(c)将所述PPy-Fe配合物置于还原性气氛中进行煅烧碳化即可；所述还原性气氛为氩气和氢气组成，其体积流量比为3～8：1，煅烧温度为600～1100℃。2.根据权利要求1所述含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法，其特征在于：步骤(a)中，所述聚合反应为在双氧水溶液和FeCl2·4H2O的引发下搅拌反应3～8小时。3.根据权利要求2所述含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法，其特征在于：步骤(a)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏成林，周金秋，钱涛，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32