一种碳包覆SnO2中空纳米球复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆SnO2中空纳米球复合材料及其制备方法，其特征是首先在Sn2+辅助下水热反应得到SnO2中空纳米球前驱体，然后采用水热‑煅烧法得到碳包覆SnO2中空纳米球复合材料。本发明专利技术的方法易于操作、原料廉价，并且设备简单、易于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术属于功能材料
，具体涉及碳包覆SnO2中空纳米球复合材料及其制备方法。二、
技术介绍
SnO2是一种n型宽带隙半导体材料，具有优良的光学、电化学、催化、气敏等性能。SnO2理论嵌锂容量高达780mAhg-1，且充放电平台较低、安全性能良好、自然储量丰富，是一种有前景的负极材料。然而，在作为锂离子电池负极材料时，SnO2在充放电过程中，其体积发生巨大的变化(超过300％)，从而导致活性材料粉化以及和导电基底脱离，使得电池容量急剧下降，循环性能变差。近年来，科学研究者们尝试一些策略来缓解这个问题，如构建中空(多孔)结构以提高材料的储锂容量，制备纳米材料以应对充放电过程中的体积变化、制备活性/非活性复合材料(当体积变化时，非活性材料能够作为一个封闭的缓冲层)等。然而，仅中空结构不能提高材料的循环性能，同样，材料纳米化也不能根本解决问题(材料由于低能量密度易团聚，使得容量急剧下降)。相对而言，构建活性/非活性复合材料是一种有潜力的方法。碳，一种在地球上储量丰富的元素，具有高的电子传导率，作为一种非活性缓冲材料，碳材料能够充当一种结构缓冲层，减轻负极在充放电过程中由体积变化而带来的机械压力。因此，在SnO2纳米结构的表面上包覆一层无定形碳具有明显的优势：第一，碳材料可以作为一个界限来抑制活性粒子的团聚，从而在循环过程中提高负极结构的稳定性；第二，碳材料能够充当一个缓冲基质，缓和脱嵌锂过程中电极的膨胀；第三，碳具有高电子传导率，有利于提高活性材料的导电率；第四，碳材料本身也能够存储Li，可以提高负极材料的比容量。设计、构筑金属氧化物/碳复合结构，发挥材料的协同效应，是解决金属氧化物或碳材料单独作为电极材料所存在的不足、发展新型负极材料的有效途径。依据碳材料的不同来源以及制备难易程度，SnO2-Carbon复合材料制备方法主要分为三种。第一种，首先制备所需碳结构，然后以此碳基质为载体，负载SnO2，从而得到复合结构。Zhu等预先制备多孔活性碳，然后将活性碳浸入混有SnCl2的溶液中，采用超声化学法，使得SnO2纳米颗粒均匀分散于碳基质的表面，得从而到SnO2@C多孔结构。然后再将其置于蔗糖溶液中，处理后于500℃下煅烧，使得SnO2@C多孔结构表面覆上一层薄薄的碳，即实验产物碳包覆SnO2@C多孔结构。在高电流密度1000mAg-1下，100次循环后，其可逆容量依然超过400mAhg-1。这种方法所制备的负极材料展现了良好的电化学特性，并且形貌结构容易控制，但是过程繁琐，且变化因素过多。第二种，直接制备SnO2/碳基质前驱体，经过后续处理得到SnO2/C复合结构。Yin等利用SnSO4和葡萄糖分别为锡源、碳源，在乙醇/水(2:1体积比)下水热反应合成多孔SnO2/C复合材料。40次循环周期后，可逆容量为680mAhg-1(电流倍率为0.3C)，此反应条件温和、环保，循环性能好。但这一种方法看似简单，却非常难以控制复合结构的形貌结构。第三种，预先制备得到特定的SnO2前驱体，然后再在特定SnO2结构上包覆一层碳。Chen等首先以聚丙乙烯球(PS)为模板合成PS/SnO2，然后以SnCl2为锡源，水热法结合煅烧(除去内部PS)得到SnO2纳米颗粒/C纳米球复合材料，其中SnO2颗粒大小为10nm。在电流密度为100mAg-1下，50次循环后，可逆比容量保持在495mAhg-1。这种合成策略优势在于前期采用模板法使得SnO2形貌易于控制，过程较为简单，但复合材料电化学循环性能较差。三、
技术实现思路
本专利技术提供一种碳包覆SnO2中空纳米球复合材料及其制备方法，旨在采用水热法结合煅烧处理得到结晶度好、形貌结构均匀的碳包覆SnO2中空纳米球。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：本专利技术的碳包覆SnO2中空纳米球复合材料的制备方法，其特点在于按如下步骤进行：a、将30mL无水乙醇、3mL蒸馏水和0.8mL浓盐酸加入50mL血清瓶内，用磁力搅拌器搅拌3min；然后加入0.25g氯化亚锡，在室温下超声8min，再磁力搅拌1h，得混合液A；将混合液A转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下反应12h；待反应结束后，自然冷却至室温，所得产物离心、冲洗、干燥，获得SnO2中空纳米球前驱体；b、称取0.97g～2.97g D-葡萄糖加入40mL水中，超声8min；加入0.1g SnO2中空纳米球前驱体，继续超声30min，得混合液B；将所述混合液B转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，180℃反应2～7h，然后自然冷却至室温，所得产物离心、冲洗、干燥，获得SnO2中空纳米球/碳化前驱体；c、将所述SnO2中空纳米球/碳化前驱体放在马弗炉内，以氮气为保护气，以5℃/min的升温速率升温至500℃，恒温煅烧3h，即得目标产物。本专利技术进一步公开了上述制备方法所制备的碳包覆SnO2中空纳米球复合材料。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1、本专利技术中的原料简单、廉价，使用的溶剂为去离子水与乙醇，大大降低了成本；2、本专利技术在水热反应和后续处理过程中，不增加任何添加剂，减少了生产工序和生产设备，且水热反应和煅烧处理时间较短；3、本专利技术的方法中通过对水热时间、D-葡萄糖浓度的调节，可以得到不同碳层厚度的复合材料。4、本专利技术通过水热法结合煅烧得到不同碳层厚度的碳包覆SnO2中空纳米球复合材料；方法简单、环保，易于规模化生产。四、附图说明图1为实施例1不同D-葡萄糖浓度下所得各样品的XRD图。图2为实施例1不同D-葡萄糖浓度下所得各样品的TEM图，其中：图2a、图2c、图2e、图2g是以超薄碳膜为基底进行观察的图像，分别对应0.125M、0.16M、0.25M、0.375M浓度下的样品；图2b、图2d、图2f、图2h是以铜网为基底进行观察的图像，分别对应0.125M、0.16M、0.25M、0.375M浓度下的样品。图3为实施例1不同D-葡萄糖浓度下的热重分析曲线图，可以看出对应D-葡萄糖浓度为0.125M、0.16M、0.25M、0.375M下，产物的无定形碳所占质量比分别为16.88％、17.14％、22.75％、22.23％。图4为实施例2不同反应时间下所得各样品的XRD图，从图中可以看出随着反应时间的增加能够提高产物的结晶度。图5为实施例2不同反应时间下所得各样品的TEM图，其中：图5a、图5c、图5e、图5g是以超薄碳膜为基底进行观察的图像，分别对应反应时间为2h、3h、5h、7h时的样品；图5b、图5d、图5f、图5h是以铜网为基底进行观察的图像，分别对应反应时间为2h、3h、5h、7h时的样品。图6为实施例2不同反应时间下所得各样品的的Raman能谱，在水热时间为2h、3h、5h、7h下，拉曼峰强比IG/ID分别为1.32，1.28，1.26，1.25，随着水热反应时间的增加，G峰与D峰的强度比随之增强，显示着无定形碳结构的形成。图7为实施例3碳包覆中空SnO2纳米球复合结构负极在0.0-2.5V之间的循环伏安曲线，从图中可以看出，不可逆峰在0.87V处，合金化还原峰在0-0.45V。图8为实施例3碳包覆中空SnO2纳米球复合材料的充放电曲线，可以看出在0.5C电流倍率下首次放电容量和充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳包覆SnO2中空纳米球复合材料的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：a、将30mL无水乙醇、3mL蒸馏水和0.8mL浓盐酸加入50mL血清瓶内，用磁力搅拌器搅拌3min；然后加入0.25g氯化亚锡，在室温下超声8min，再磁力搅拌1h，得混合液A；将混合液A转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下反应12h；待反应结束后，自然冷却至室温，所得产物离心、冲洗、干燥，获得SnO2中空纳米球前驱体；b、称取0.97g～2.97g D‑葡萄糖加入40mL水中，超声8min；加入0.1g SnO2中空纳米球前驱体，继续超声30min，得混合液B；将所述混合液B转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，180℃反应2～7h，然后自然冷却至室温，所得产物离心、冲洗、干燥，获得SnO2中空纳米球/碳化前驱体；c、将所述SnO2中空纳米球/碳化前驱体放在马弗炉内，以氮气为保护气，以5℃/min的升温速率升温至500℃，恒温煅烧3h，即得目标产物。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆SnO2中空纳米球复合材料的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：a、将30mL无水乙醇、3mL蒸馏水和0.8mL浓盐酸加入50mL血清瓶内，用磁力搅拌器搅拌3min；然后加入0.25g氯化亚锡，在室温下超声8min，再磁力搅拌1h，得混合液A；将混合液A转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下反应12h；待反应结束后，自然冷却至室温，所得产物离心、冲洗、干燥，获得SnO2中空纳米球前驱体；b、称取0.97g～2.97g D-葡萄糖加入40...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨友文，程婷，高远皓，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34