本发明专利技术属于锂离子电池材料技术领域，公开了一种石墨烯基FeS2纳米材料及制备与应用。所述制备方法为：将氧化石墨烯超声分散于水中得到氧化石墨烯悬浊液，再加入还原剂超声处理后得到石墨烯悬浊液；将Na2S与S加入到水中，加热搅拌溶解均匀，得到Na2S2溶液；将FeSO4溶于水并与石墨烯悬浊液混合，然后加入Na2S2溶液，升温至100℃，在惰性气体气氛下回流反应0.5～3h，反应产物经离心分离、干燥、研磨，得到石墨烯基FeS2纳米材料。本发明专利技术所得材料可用于锂离子电池负极，比容量较高，在高倍率的条件下性能较好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池材料
，具体涉及一种石墨烯基FeS2纳米材料及制备与应用。
技术介绍
目前，石油、天然气等能源逐渐匮乏，人们环保意识逐渐增强，交通运输工具的发展开始转向环保型电动汽车和混合动力汽车。可充电电池是电动汽车的核心器件，研发高能量密度电池是当务之急。发达国家正大量投资于新型电池材料和技术的研发，以提高能量储存和充电/放电性能，改善电池耐用性和可靠性以及降低成本。锂离子电池以其能量密度高等优势日益引起人们的关注，为进一步提高电池电性能，研究者们已经开发了一系列新型电极材料（尤其是负极材料），如过渡金属氧化物、硫化物等。黄铁矿(FeS2)由于其理论容量高（894mAh g-1），成本低，在自然界中含量丰富，在同等条件下具有比碱性电池更高的容量和寿命，目前已经被用于商业一次性电池。同时，它也是一种很有前途的可充电锂离子电池负极材料。固相法合成的FeS2，在0.1C情况下循环30圈，可逆容量为420mAh g-1。Ostwald熟化法合成的中空结构FeS2，在0.1C时初始容量为886.3mAh g-1，并且在1C的情况下循环30周比容量为392.7mAh g-1。FeS2在充放电过程中会存在较大的体积变化，从而影响它的循环性能，不少研究者通过添加碳材料来提高循环稳定性。有人以葡萄糖为碳源采用固相法合成的碳包覆FeS2材料，在0.05C时循环50圈，比容量仍然有495mAh g-1。一步水热法合成的微球形FeS2/CNT用作锂离子电池负极，在电流密度为0.1C时，首次放电容量达921mAh g-1，循环50周后为
491mAh g-1。石墨烯基纳米材料由于具有优异的物理性能，在锂离子电池电极材料中已被广泛地研究。有报道表明，水热法合成的rGO/FeS2材料，电流密度为100mA g-1时初始容量高达1147mAh g-1，在循环60周后仍能保持1001mAh g-1。然而，水热法需要在高温高压的条件下进行，并且反应时间较长，这对工业生产来说仍具有一定的劣势，也存在较大的安全隐患。因此，对于良好电性能的材料同时兼具廉价、工艺简单、安全性更高的实验方法和技术的探索很有必要。
技术实现思路
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种石墨烯基FeS2纳米材料的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的石墨烯基FeS2纳米材料。本专利技术的再一目的在于提供上述石墨烯基FeS2纳米材料作为锂离子电池负极材料的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种石墨烯基FeS2纳米材料的制备方法，包括如下制备步骤：（1）将氧化石墨烯超声分散于水中得到氧化石墨烯悬浊液，再加入还原剂超声处理后得到石墨烯悬浊液；（2）将Na2S与S加入到水中，加热搅拌溶解均匀，反应得到Na2S2溶液；（3）将FeSO4溶于水并与步骤（1）中的石墨烯悬浊液混合，然后加入步骤（2）所得Na2S2溶液，升温至100℃，在惰性气体气氛下回流反应0.5～3h，反应产物经离心分离、干燥、研磨，得到石墨烯基FeS2纳米材料。优选地，所述的氧化石墨烯是指采用Hummers法合成的氧化石墨烯（Hummers,W.S.and R.E.Offeman.Preparation of graphitic oxide[J].J.Am.Chem.Soc.,1958,80(6):1339-1339.）。优选地，步骤（1）中所述的还原剂是指维生素C。维生素C作为还原剂，可以很好地将氧化石墨还原且对环境无任何不利影响，实验条件安全环保。一种石墨烯基FeS2纳米材料，通过上述方法制备得到。优选地，上述石墨烯基FeS2纳米材料中石墨烯的重量百分含量为10%～40%；更优选石墨烯的重量百分含量为20%。上述石墨烯基FeS2纳米材料作为锂离子电池负极材料的应用。优选地，所述应用过程为：将石墨烯基FeS2纳米材料与碳黑、PVDF（聚偏氟乙烯）混合研磨，之后加入NMP（N-甲基吡咯烷酮）制浆、涂布在铜箔上，置于真空干燥箱中烘干，得到锂离子电池负极。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点及有益效果：（1）本专利技术采用简易的液相合成法制备石墨烯基FeS2纳米颗粒，并成功用作锂离子电池负极材料。FeS2纳米颗粒锚定在石墨烯表面，提高了复合物的导电性；同时，由于利用石墨烯的弹性特点缓释FeS2在充放电过程中的体积膨胀，使电极具有更好的结构稳定性，从而提高材料的循环稳定性，为动力电池的长周期循环使用提供了良好的基础。（2）本专利技术的制备方法以水为溶剂和维生素C为还原剂，合成过程中不涉及有毒物质的使用，也不需要高温高压等极限条件。环保，成本低，工艺简单，效率高，有利于工业生产。（3）本专利技术的制备方法以水为溶剂，其回流反应温度为100℃有利于形成结晶度好的均一的FeS2纳米颗粒，其中形貌均一的FeS2纳米颗粒尺寸为50nm左右，并锚定在石墨烯表面。（4）本专利技术利用具备高理论容量的FeS2作为活性材料，使用石墨烯对其复合有利于提高材料的比容量、循环稳定性和倍率性能。（5）本专利技术的石墨烯基FeS2纳米材料用作锂离子电池负极具有良好的循环性能：所述的锂离子电池负极材料在石墨烯包覆量为10～30%时，常温电流密度为200mA g-1情况下，循环50-200圈，比容量为308～1340mAh g-1。可见本发
明制备的锂离子电池负极材料具备较大的比容量和较好的循环性能，有利于锂离子电池容量和使用寿命的提高。（6）本专利技术的石墨烯基FeS2纳米材料用于锂离子电池负极材料，20wt%GNs@FeS2在常温下电流密度为100-600mAg-1的情况下，循环200圈，比容量为900-1500mAh g-1。可见本专利技术制备的锂离子电池负极材料受电流密度的影响较小，为锂离子电池在大功率下的使用提供保障。附图说明图1为本专利技术实施例2所得20wt%GNs@FeS2的X射线衍射图；图2为本专利技术实施例2所得20wt%GNs@FeS2的拉曼光谱图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。对比例（1）将Na2S与升华硫各3mmol加入到水中，加热搅拌直至硫全部溶解得到黄褐色Na2S2溶液；（2）将3mmol FeSO4溶于20ml水，然后加入步骤（2）所得Na2S2溶液，升温至100℃，在惰性气体气氛下回流反应0.5h，反应完成后冷却至室温，用水和乙醇离心，将分离后的产物在60℃下烘干，研磨得到FeS2粉末。实施例1（1）将0.0408g氧化石墨烯置于30ml水中超声分散3h，得到氧化石墨烯悬浊液，再加入0.0401g维生素C溶解后超声10min得到石墨烯悬浊液；（2）将Na2S与升华硫各3mmol加入到水中，加热搅拌直至硫全部溶解得到黄褐色Na2S2溶液；（3）将3mmol FeSO4溶于20ml水并与步骤（1）中的石墨烯悬浊液混合，然后加入步骤（2）所得Na2S2溶液，升温至100℃，在惰性气体气氛下回流反应2h，反应完成后冷却至室温，用水和乙醇离心，将分离后的产物在60℃下烘干，研磨得到10wt%GNs@FeS2粉末，石墨烯包覆量采用热重分析（TGA）测定。实施例2（1）将0.0910g氧化石墨烯置于30ml水本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种石墨烯基FeS2纳米材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)将氧化石墨烯超声分散于水中得到氧化石墨烯悬浊液，再加入还原剂超声处理后得到石墨烯悬浊液；(2)将Na2S与S加入到水中，加热搅拌溶解均匀，反应得到Na2S2溶液；(3)将FeSO4溶于水并与步骤(1)中的石墨烯悬浊液混合，然后加入步骤(2)所得Na2S2溶液，升温至100℃，在惰性气体气氛下回流反应0.5～3h，反应产物经离心分离、干燥、研磨，得到石墨烯基FeS2纳米材料。
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基FeS2纳米材料的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：(1)将氧化石墨烯超声分散于水中得到氧化石墨烯悬浊液，再加入还原剂超声处理后得到石墨烯悬浊液；(2)将Na2S与S加入到水中，加热搅拌溶解均匀，反应得到Na2S2溶液；(3)将FeSO4溶于水并与步骤(1)中的石墨烯悬浊液混合，然后加入步骤(2)所得Na2S2溶液，升温至100℃，在惰性气体气氛下回流反应0.5～3h，反应产物经离心分离、干燥、研磨，得到石墨烯基FeS2纳米材料。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基FeS2纳米材料的制备方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯是指采用Hummers法合成的氧化石墨烯。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯基FeS2纳米材料的制备方法，其特征在于：步骤(...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜瑶，吴松平，刘淳，田小东，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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