一种纳米级单质铋的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种纳米级单质铋的制备方法，通过电化学沉积法在导电碳布上生成纳米级单质铋；电解液为铋盐、十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺四乙酸钠盐的混合水溶液，其中，铋盐浓度为（5~30）mmol/L；所述十六烷基三甲基溴化铵浓度为（30~80）mmol/L；所述乙二胺四乙酸钠盐浓度为（0.1~0.3）mol/L；所述电镀电压为‑1~0V；所述电镀时间为10~90min。本发明专利技术提供的制备方法能耗低，原料简便易取，操作简单，易于实现，制备得到的单质铋纳米材料，比表面积高，导电性能优异，具有很好的储能性能，为目前能源储存问题提供了很好的负极材料，具备极大的应用前景。

Preparation method of nanometer simple substance bismuth

The present invention provides a method for preparing nano elemental bismuth, generating nano elemental bismuth in conductive carbon cloth by electrochemical deposition method; electrolyte for bismuth salt, sixteen alkyl three methyl bromide and sodium salts of EDTA aqueous solution, the concentration of bismuth salt (5~30) mmol/L; the sixteen alkyl three methyl bromide (30~80) concentration was mmol/L; the concentration of sodium ethylenediaminetetraacetic acid (0.1~0.3) mol/L; the plating voltage is 1~0V; the plating time is 10~90min. The energy consumption of the preparation method of the invention is low, easy to get raw materials, simple operation, easy to realize, the elemental bismuth nano material preparation of high specific surface area, excellent conductivity, good storage performance, provides a good anode material for the energy storage problem with applications great.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级单质铋的制备方法
本专利技术属于储能材料制备
，更具体地，涉及一种纳米级单质铋的制备方法。
技术介绍
随着人口的爆炸式增长和社会的快速发展，作为社会和紧急发展的基石之一，人类对能源的各种需求亦日益增长。而现有的以传统化石能源已不能长期满足未来社会对能源的各种需求，另外，伴随着化石能源的开发，温室效应日益严重，生态环境日益恶化，以及解决地区能源分布不均等问题，可再生的绿色能源已经成为人们关注的焦点。随着社会经济和科技的发展，各种的新型能源开发和利用要求研发不同种类的能量储存装置来实现新能源的高效转化及利用。实现新能源的深度开发和高效利用，新型高效、稳定的电能存储装置的研制是关键。传统的有机电解液的离子电池具有宽电化学窗口，然而有机电解液易燃、有毒，如果使用不恰当，会带来严重的安全及环境问题。而水系电解质环境友好和安全，而且其离子电导率比有机电解质高两个数量级，有望实现电池的高功率，还避免有机电解质所需要的严格制造条件，大大降低了生产成本。因此水系离子电池在电网级别的大规模储能领域中具有重要应用前景，随着研究深入，研究者们已深刻认识到要提高水系电池的性能，关键在于寻找高性能的储能负极材料。目前常见的电池负极材料有碳负材料，比如实际应用于锂离子电池的碳素材料，此类材料成本较低容易实现产业化，但是材料容量较低，合金材料和金属氧化物材料理论容量较高，但寿命差。而单质铋作为一种新兴的负极材料，具有高的负极工作电位窗口和合适的电位工作区间，理论比电容值较高，高达78.9mAh/g。然而单质铋循环寿命比较差，大规模制备方法不成熟、不完善，种种条件制约单质铋在电池负极材料中应用。目前所发现的单质铋材料，多被用于化工、催化剂、半导体、电子陶瓷等方面。与其他材料相比，单质铋不但资源丰富，价格低廉，环境友好，而且具有很好的导电性和合适的负电位工作区间，因而是一种极具发展潜力的高性能负极材料。但目前关于单质铋纳米材料的研究较少，特别是储能领域，且许多报道方法不适合大批量生产。因此，发展一种简便易行、高效的制备单质铋纳米材料的方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的等不足，提供一种纳米级单质铋的制备方法。本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：一种纳米级单质铋的制备方法，通过电化学沉积法在导电碳布上生成纳米级单质铋；电解液为铋盐、十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺四乙酸钠盐的混合水溶液，其中，铋盐浓度为（5~30）mmol/L；所述十六烷基三甲基溴化铵浓度为（30~80）mmol/L；所述乙二胺四乙酸钠盐浓度为（0.1~0.3）mol/L；所述电镀电压为-1~0V；所述电镀时间为10~90min。优选地，所述电解液中铋盐的浓度为20mmol/L，所述十六烷基三甲基溴化铵浓度为50mmol/L，所述乙二胺四乙酸钠盐浓度为0.1mol/L。优选地，所述电镀电压为-1V，所述电镀时间60min。优选地，所述铋盐为五水合硝酸铋。优选地，所述工作电极为导电碳布，所述对电极为石墨碳棒，所述参比电极为饱和甘汞电极。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：本专利技术提供的制备方法能耗低，原料简便易取，操作简单，易于实现，制备得到的单质铋纳米材料，比表面积高，导电性能优异，与成熟商业石墨等负极材料相比，储能性能大幅增加。此专利技术直接在柔性基底导电碳布合成出来高比表面积的单质铋材料，同时采用电化学沉积方法，可以广泛应用于工业生产，为目前能源储存问题提供了很好的负极材料，具备极大的应用前景。附图说明图1中(a)为实施例1中单质铋的高倍率扫描电镜(SEM)图片，(b)为实施例1中单质铋低倍率扫描电镜(SEM)图片。图2为实施例1的单质铋在100mV/s下的循环伏安曲线。图3为实施例1的单质铋在不同电流密度下放电时间。图4为实施例1的单质铋的XRD。具体实施方式以下结合具体实施例和附图来进一步说明本专利技术，但实施例并不对本专利技术做任何形式的限定。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。单质铋在碳布上的合成是通过电沉积实现的。在电流加载前，碳布(1cm×3cm)依次在去离水、乙醇、丙酮、去离子水分别超声清洗10分钟，然后60℃烘干备用。将清洗干净的碳布浸入装有30ml硝酸铋（五水合硝酸铋）、十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺四乙酸钠盐（二水合乙二胺四乙酸钠）混合起来的水溶液的三电极体系中，其中对应五水合硝酸300mg、对应十六烷基三甲基溴化铵550mg，对应乙二胺四乙酸钠盐1.12g。以碳布作为工作电极，以石墨碳电极为对电极，饱和甘汞为参比电极，对体系施加负1V的加载电压，并保持反应60min。反应结束后将碳布取出，所得样品用去离水反复清洗三遍，60℃烘干。实施例2~5基于实施例1的方案，通过调控不同的反应条件，影响单质铋的生长，其关系如表1所示。表1对比例1：其他条件同实施例1，不同的是电镀时间为120min，可以明显观察到单质铋形成粉末团聚，未在工作电极碳布上均匀生长。对比例2：其他条件同实施例1，不同的是硝酸铋的量为800mg，可以明显观察到单质铋在工作电极碳布上形成团聚，不能较好的生长。对比例3：其他条件同实施例1，不同的是电镀电压为2V，可以明显观察到该电压较高，得到大颗粒粉末，单质铋不能较好的进行沉积。对比例4：其他条件同实施例1，不同的是十六烷基三甲基溴化铵的量为700mg，可以明显观察到单质铋不能较均匀的在碳布上进行沉积，影响其导电性能。从图1和图4中结果来看，单质铋纳米材料均匀生长在碳布基底，图3为实施例1的单质铋在不同电流密度下放电时间。图2中的循环伏安曲线表明这种单质铋纳米材料具有良好的可逆性和储能特性。通过计算这种单质铋纳米材料的面积比电容值为356.55mF/cm2，表明其很好的储能性能。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米级单质铋的制备方法，其特征在于，通过电化学沉积法在导电碳布上生成纳米级单质铋；电解液为铋盐、十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺四乙酸钠盐的混合水溶液，其中，铋盐浓度为（5~30）mmol/L；所述十六烷基三甲基溴化铵浓度为（30~80）mmol/L；所述乙二胺四乙酸钠盐浓度为（0.1~0.3）mol/L；所述电镀电压为‑1~0V；所述电镀时间为10~90min。

【技术特征摘要】
1.一种纳米级单质铋的制备方法，其特征在于，通过电化学沉积法在导电碳布上生成纳米级单质铋；电解液为铋盐、十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺四乙酸钠盐的混合水溶液，其中，铋盐浓度为（5~30）mmol/L；所述十六烷基三甲基溴化铵浓度为（30~80）mmol/L；所述乙二胺四乙酸钠盐浓度为（0.1~0.3）mol/L；所述电镀电压为-1~0V；所述电镀时间为10~90min。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢锡洪，郑海兵，冯浩槟，曾银香，张敏，程发良，童叶翔，
申请(专利权)人：中山大学，东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44