帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成方法技术

本发明专利技术涉及一种帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn‑纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成方法，包括以下步骤：利用水热法，调控表面活性剂用量及前驱物配比，合成了FeSn/rGO晶种，然后，通过种子生长法，获得了FeSn‑纳米棒阵列/rGO，最后再通过水热法，在其上面铺展一层石墨烯封顶，形成一种帐篷型的稳定框架结构。与现有技术相比，本发明专利技术工艺简单，制备条件温和，产物形貌稳定、纯度高，且产物处理方便简洁，具有很强的通用性，适合于工业生产；原材料易得，不需要催化剂和模板，价格低廉；产物具有较高的充放电性能和循环稳定性的锂电性能，可以作为具有高性能的锂离子负极材料，有广阔的锂电应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于合金/石墨烯复合材料
，具体涉及一种溶剂热合成法合成帐篷型石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯(rGO/FeSn-NRsArray/rGO)框架结构。
技术介绍
当今时代，环境，能源，材料已经成为未来三大科学领域，而锂离子电池因其横跨这三大领域并给世界生活带来划时代的意义而备受关注。针对锂离子电池负极材料的研究显示，合金有比容量高但体积膨胀大会导致循环稳定性差的问题，石墨烯也有在实际应用中易团聚、容量低且衰减快的局限性。而合金/石墨烯复合材料借助石墨烯与合金的复合结构，可能获得兼具高比容量和大电流充放电性能的优势。因此，开发稳定复合结构的合金/石墨烯复合材料成为了有效解决锂电单一负极材料面临各种问题的主要途径之一。由于锡基合金中第二组元对能量密度和充放电可逆容量有重要影响，成为了亟需考虑的关键点。因为通过Sn与适当含量惰性组分的合金化，能有效控制合金中锡在脱嵌锂过程中发生的严重体积膨胀(～300％)而导致比容量迅速下降。最近，为解决上述难题，研究者已经对SnNi、SnCo、FeSn等合金进行作为锂离子电池负极材料的相关研究。另一方面，近期有一些关于石墨烯基复合结构的研究显示，其复合结构较之单一组分可以获得了更高的锂电性能。石墨烯具有优异的电，热和机械性能，它巨大的比表面积和独特的层状结构使之能够赋予复合结构较高的稳定性和结构韧性。它超高的电导率能显著提高充放电速率从而提高其能量密度和可逆容r>量，并且，石墨烯能够为其复合组分提供一个稳定的基板，防止充放电过程中活性物质的团聚，同时，活性复合组分通过与石墨烯的键合作用形成相对稳定的框架结构，从而有效提高了负极材料的循环稳定性。鉴于此，石墨烯可以作为与锡基合金负极材料形成复合锂电负极材料的极佳选择。然而，目前主要研究的Sn基合金/石墨烯复合材料多为FeSn、SnNi、SnCo纳米粒子分散在石墨烯上，而且仍然存在循环容量偏低，循环稳定性不够理想的情况。究其原因有，粒子型活性合金经过一定周期的循环充放电后发生了团聚。因此，构建稳定的Sn基合金/石墨烯复合框架结构对发展该类锂离子电池负极材料具有重要意义，也是一项具有挑战而有难度的研究任务。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种原料成本低、通用性强、反应条件温和、工艺可控且简便的帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成方法，该方法制得的复合材料结构稳定性高、具有较高的充放电性能和循环稳定性的锂电性能。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成方法，包括以下步骤：(1)FeSn/石墨烯晶种的合成(1-1)将氧化石墨烯和表面活性剂分散在有机溶剂中，并加入无机亚锡盐和无机铁盐，搅拌混合均匀；(1-2)加入还原剂，转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到FeSn/石墨烯晶种；(2)FeSn-纳米棒阵列/石墨烯的合成(2-1)将得到的FeSn/石墨烯晶种分散在有机亚锡盐和有机铁盐的有机溶液中，加入还原性有机溶剂，搅拌混合均匀；(2-2)转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到FeSn-纳米棒阵列/石墨烯；(3)石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成(3-1)将得到的FeSn-纳米棒阵列/石墨烯和氧化石墨烯分散在有机溶剂中，加入还原剂，搅拌混合均匀；(3-2)转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料。步骤(1-2)发生的反应如下：Sn2++2e-＝SnFe3++3e-＝Fe2Sn+Fe＝Sn2FeGO+2H++2e-＝Graphene+H2O生成FeSn/石墨烯晶种。步骤(2-2)发生的反应如下：Sn2++2e-＝SnFe3++3e-＝Fe2Sn+Fe＝Sn2Fe产物由FeSn/石墨烯晶种长成FeSn-纳米棒阵列/石墨烯。步骤(3-2)发生的反应如下：GO+2H++2e-＝Graphene+H2O产物由FeSn-纳米棒阵列/石墨烯变成石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯。步骤(1-1)中的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，有机溶剂为三乙二醇；步骤(2-1)中的还原性有机溶剂为乙二醇；步骤(3-1)中的有机溶剂为乙二醇。步骤(1-2)中的还原剂为NaBH4，NaBH4的加入量与该步骤中氧化石墨烯的加入量之比为0.3～0.5mol:1g；步骤(3-1)中的还原剂为N2H4·H2O，N2H4·H2O的加入量与该步骤中氧化石墨烯的加入量之比为0.15～0.2L:1g。所述的无机亚锡盐为SnCl2·2H2O，所述的无机铁盐为FeCl3·6H2O。所述的有机亚锡盐为草酸亚锡，所述的有机铁盐为乙酸铁。所述的氧化石墨烯采用氧化石墨烯的水溶液，氧化石墨烯的含量为0.3～0.7mg/mL。步骤(1-2)、(2-2)以及(3-2)采用的反应釜分别为具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜，步骤(1-2)、(2-2)以及(3-2)采用的反应釜的加料系数分别控制在0.6～0.79之间，由于氧化石墨烯采用的是其水溶液，优选步骤(1-2)、(2-2)以及(3-2)各步骤的有机溶剂的加入的体积与步骤(1-1)中的氧化石墨烯水溶液体积之比为3～10:1。步骤(1-1)中无机亚锡盐和无机铁盐的摩尔比为1.6～2.4:1，表面活性剂与氧化石墨烯的质量比为140～180:1，氧化石墨烯的用量与无机铁盐用量的比为25～40g:1mol。优选地，步骤(1-1)中无机亚锡盐和无机铁盐的摩尔比为2:1。当无机亚锡盐和无机铁盐的摩尔比为2:1时，符合反应的化学计量比，这种配比合成出来的物相最稳定，合成条件最容易达到。步骤(2-1)的有机溶液中，溶剂为乙醇，有机铁盐的浓度为4～6mmol/L，有机溶液中有机亚锡盐和有机铁盐的摩尔比为0.8～1.2:1，有机铁盐与步骤(1-1)中无机铁盐的摩尔比为0.3～0.5:1。优选地，步骤(2-1)的有机溶液中有机亚锡盐和有机铁盐的摩尔比为1:1。该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn‑纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)FeSn/石墨烯晶种的合成(1‑1)将氧化石墨烯和表面活性剂分散在有机溶剂中，并加入无机亚锡盐和无机铁盐，搅拌混合均匀；(1‑2)加入还原剂，转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到FeSn/石墨烯晶种；(2)FeSn‑纳米棒阵列/石墨烯的合成(2‑1)将得到的FeSn/石墨烯晶种分散在有机亚锡盐和有机铁盐的有机溶液中，加入还原性有机溶剂，搅拌混合均匀；(2‑2)转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到FeSn‑纳米棒阵列/石墨烯；(3)石墨烯/FeSn‑纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成(3‑1)将得到的FeSn‑纳米棒阵列/石墨烯和氧化石墨烯分散在有机溶剂中，加入还原剂，搅拌混合均匀；(3‑2)转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn‑纳米棒阵列/石墨烯复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成方
法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)FeSn/石墨烯晶种的合成
(1-1)将氧化石墨烯和表面活性剂分散在有机溶剂中，并加入无机亚锡盐和
无机铁盐，搅拌混合均匀；
(1-2)加入还原剂，转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后
冷却至室温，得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到FeSn/石墨烯晶
种；
(2)FeSn-纳米棒阵列/石墨烯的合成
(2-1)将得到的FeSn/石墨烯晶种分散在有机亚锡盐和有机铁盐的有机溶液
中，加入还原性有机溶剂，搅拌混合均匀；
(2-2)转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，
得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到FeSn-纳米棒阵列/石墨烯；
(3)石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料的合成
(3-1)将得到的FeSn-纳米棒阵列/石墨烯和氧化石墨烯分散在有机溶剂中，
加入还原剂，搅拌混合均匀；
(3-2)转移至反应釜中，加热至170～190℃并保持4～6h，然后冷却至室温，
得到黑色固体产物，对该产物进行洗涤并干燥后得到帐篷型框架结构的石墨烯
/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯
复合材料的合成方法，其特征在于，
步骤(1-1)中的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，有机溶剂为三乙二醇；
步骤(2-1)中的还原性有机溶剂为乙二醇；
步骤(3-1)中的有机溶剂为乙二醇。
3.根据权利要求1所述的帐篷型框架结构的石墨烯/FeSn-纳米棒阵列/石墨烯
复合材料的合成方法，其特征在于，
步骤(1-2)中的还原剂为NaBH4，NaBH4的加入量与该步骤中氧化石墨烯的

\t加入量之比为0.3～0.5mol:1g；
步骤(3-1)中的还原剂为N2H4·H2O，N2H4·H2O的加入量与该步骤中氧化石
墨烯的加入量之比为0.15～0.2L:1g。
4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：温鸣，王杰，陈翰星，陈世培，陈雨婷，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31