一种柔性SnS‑C纳米纤维的静电纺丝制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性SnS‑C纳米纤维的静电纺丝制备方法。首先将SnCl2·2H2O加入到N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌溶解得到无色透明溶液；再加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌得到粘稠的静电纺丝前驱体溶液，再将其转移至医用注射器中，在静电纺丝装置上纺丝，纺丝得到的纳米纤维用铝箔接收，然后先进行干燥，再用瓷舟收集纳米纤维，置于马弗炉内煅烧；冷却后再置于放有硫脲的通Ar/H2管式炉中硫化、并初步碳化处理；冷却后移除硫脲残渣，继续在通Ar/H2管式炉中进一步高温碳化即得最终产物SnS‑C纳米纤维。本发明专利技术制备的SnS‑C纳米纤维具有均匀的直径，约为80～150nm，且具有优异的电化学性能。

Electrospinning method of flexible SnS C nano fiber

【技术实现步骤摘要】
一种柔性SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法
本专利技术涉及新能源材料制备
，特别涉及一种柔性SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法，柔性SnS-C纳米纤维可用作锂离子电池柔性电极。
技术介绍
近年来，科技的迅猛发展，给人类带来了诸多便捷。但能源危机以及环境污染等问题也成为了人类面临的两大挑战。在过去的十多年里，很多研究人员都致力于发展新能源技术，并尝试克服这两大挑战。例如太阳能、风能等可再生清洁能源都已经取得了卓越的成就。而能量的转换与储存是实现高效利用可再生清洁能源的一个关键因素。锂离子电池是目前应用最广泛的能量储存设备，其研究重点在于电极材料性能的提升。就负极材料而言，目前广泛应用于锂离子电池负极的石墨类材料，由于其低的比容量而难以满足日益增长的容量需求。因此，具有高理论比容量的过渡金属硫化物材料成为了锂离子电池负极材料的研究热点。在所有的过渡金属硫化物中，硫化亚锡(SnS)由于其独特的层状结构以及大的层间距更利于锂离子和电子的快速传输，受到了大量研究人员的关注。水热法、溶剂热法以及热蒸发法等是制备SnS最常用的方法，但由于其制备工艺复杂、原材料成本高、技术要求高、易对环境造成负面影响等缺点而受到了限制。静电纺丝技术是一种设备简单、制备过程可控、对环境无污染且几乎无原材料的浪费，被认为是制备一维纳米材料最行之有效的方法之一。静电纺丝制备纳米材料的过程较为简单，大致可分为四步：首先通过溶胶-凝胶法配制得到含有目标材料的溶液；然后向得到的溶液中加入有利于纺丝的大分子量长链聚合物(例如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)等)；再将得到的溶液注入到静电纺丝设备中进行纺丝并收集样品；最后将收集的样品进行高温煅烧即得最终的静电纺丝产物。现如今，随着科技的进步，人们对高科技产品的要求也逐渐提高，市场上现有的大多数电子设备都是不可穿戴式的，其主要限制在于无法折叠的锂离子电池。因此，本专利技术利用静电纺丝制备SnS-C纳米纤维作为锂离子电池柔性电极，用于可穿戴式移动电子设备以及大型的能量储存的研究具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的SnS-C制备工艺复杂、成本高昂、无法作为锂离子电池柔性电极的问题，提供了一种柔性SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法。本专利技术的技术方案为：一种SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法，包括如下步骤：(1)将SnCl2·2H2O加入到溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，磁力搅拌至完全溶解后得到无色透明的溶液；(2)向步骤(1)所得溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，继续进行磁力搅拌，得到粘稠的无色透明的静电纺丝前驱体溶液；(3)将步骤(2)所得前驱体溶液转移至医用注射器中，在静电纺丝装置上纺丝，纺丝得到的纳米纤维用铝箔接收；(4)对步骤(3)所得的载有纳米纤维的铝箔先进行干燥，然后用瓷舟收集纳米纤维置于马弗炉内进行预氧化煅烧以稳定纳米纤维结构；(5)对步骤(4)所得的稳定后的纳米纤维置于放有硫脲的Ar/H2管式炉中硫化处理，并初步碳化处理；(6)对步骤(5)所得的初步碳化后的纳米纤维冷却，移除硫脲残渣，继续在通Ar/H2的管式炉中进一步碳化处理，即得最终产物SnS-C纳米纤维。进一步地，步骤(1)中，SnCl2·2H2O的加入量为溶液总质量的9.09～16.67％。进一步地，步骤(2)中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。进一步地，步骤(2)中，聚乙烯吡咯烷酮的加入量为溶液总质量的7.69～11.11％。进一步地，步骤(3)中的静电纺丝参数为：纺丝针头与金属收集基板之间的间距为10～20cm，纺丝电压为12～20KV，环境温度为30～50℃，湿度为30～50％，给液速度为0.2～0.6mL/h。进一步地，步骤(4)的预氧化煅烧，温度为200～280℃，升温速率为3℃/min，保温2～4h。进一步地，步骤(5)的硫化处理，具体为：将步骤(4)所得的稳定结构后的纳米纤维置于放有硫脲的通Ar/H2管式炉中煅烧，以3℃/min的升温速率，从室温升到250～280℃，保温2～4h。进一步地，硫脲放置于通Ar/H2管式炉的上游段，硫脲与纳米纤维材料的质量比为10～20：1。进一步地，步骤(5)的初步碳化处理，是继硫化处理后升温到450～550℃，保温2～4h，之后冷却至室温。进一步地，步骤(6)的进一步碳化处理，具体为：以3℃/min的升温速率，从室温升到650～750℃，保温4～8h，之后冷却至室温。值得说明的是，SnS-C纳米纤维的制备，需两步碳化处理，若继硫化后直接600℃以上碳化，硫脲残渣会达到沸点，气体硫脲残渣会污染SnS-C纳米纤维，最终得到的SnS-C纳米纤维含有杂质；若仅600℃以下一步碳化，会使得聚乙烯吡咯烷酮碳化不完全，最终导致获得的SnS-C纳米纤维具有较差的导电性，从而严重影响材料的电化学性能。本专利技术具有如下的技术效果：本专利技术制备工艺简单、操作方便，所得SnS-C纳米纤维为柔性材料，是一种新奇的锂离子电池负极材料，有望能够实现电池的折叠功能。本专利技术制备的SnS-C纳米纤维材料直径均匀，约为80～150nm，用作锂离子电池柔性电极具有优异的电化学性能。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的含较多杂质峰的SnS-C的X-射线衍射图；图2位本专利技术实施例3在550℃一步碳化制备的SnS-C纳米纤维作为负极材料，锂片为对电极，组装成扣式电池。20～25℃下，在0.01～3.0V的电压范围内，500mAg-1的电流密度下进行充放电测试的循环寿命及库仑效率图。图3为本专利技术实施例4制备的柔性SnS-C纳米纤维的X-射线衍射图；图4为本专利技术实施例4制备的柔性SnS-C纳米纤维的扫描电镜图(放大倍数为20000倍)；图5为本专利技术实施例4制备的柔性SnS-C纳米纤维的扫描电镜图(放大倍数为80000倍)；图6为本专利技术实施例4制备的柔性SnS-C纳米纤维作为锂离子电池柔性电极的照片；图7为本专利技术实施例4制备的柔性SnS-C纳米纤维作为负极材料，锂片为对电极，组装成扣式电池。20～25℃下，在0.01～3.0V的电压范围内，不同电流密度50、100、200、400、800、1200、2000以及4000mAg-1下进行充放电测试的倍率性能图及库仑效率图；图8为本专利技术实施例4制备的柔性SnS-C纳米纤维作为负极材料，锂片为对电极，组装成扣式电池。20～25℃下，在0.01～3.0V的电压范围内，500mAg-1的电流密度下进行充放电测试的循环寿命及库仑效率图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于此。实施例1室温下(20～30℃)，加入6mmol的SnCl2·2H2O于装有10gN,N-二甲基甲酰胺的15mL可密封玻璃瓶中，在350rpm的下磁力搅拌5min使SnCl2·2H2O完全溶解得到无色透明的溶液；再加入1.2g的聚乙烯吡咯烷酮，同样的转速下搅拌4h；将得到的无色透明溶液转移至医用注射器中，在静电纺丝装置上纺丝，纺丝得到的纳米纤维用铝箔接收。静电纺丝参数为：纺丝针头与金属收集基板之间的间距为15cm，纺丝电压为18KV，环境温度为40℃，湿度大约为40％，给液速度为0.3mL/h。将载有纳米纤维的基板铝箔于60℃干燥箱干本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SnS‑C纳米纤维的静电纺丝制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将SnCl2·2H2O加入到溶剂N,N‑二甲基甲酰胺中，磁力搅拌至完全溶解后得到无色透明的溶液；(2)向步骤(1)所得溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，继续进行磁力搅拌，得到粘稠的无色透明的静电纺丝前驱体溶液；(3)将步骤(2)所得前驱体溶液转移至医用注射器中，在静电纺丝装置上纺丝，纺丝得到的纳米纤维用铝箔接收；(4)对步骤(3)所得的载有纳米纤维的铝箔先进行干燥，然后用瓷舟收集纳米纤维置于马弗炉内进行预氧化煅烧以稳定纤维结构；(5)对步骤(4)所得的稳定结构后的纳米纤维置于放有硫脲的Ar/H2管式炉中硫化处理，并初步碳化处理；(6)对步骤(5)所得的初步碳化后的纳米纤维冷却，移除硫脲残渣，继续在通Ar/H2的管式炉中进一步碳化处理，即得最终产物SnS‑C纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.一种SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将SnCl2·2H2O加入到溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，磁力搅拌至完全溶解后得到无色透明的溶液；(2)向步骤(1)所得溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，继续进行磁力搅拌，得到粘稠的无色透明的静电纺丝前驱体溶液；(3)将步骤(2)所得前驱体溶液转移至医用注射器中，在静电纺丝装置上纺丝，纺丝得到的纳米纤维用铝箔接收；(4)对步骤(3)所得的载有纳米纤维的铝箔先进行干燥，然后用瓷舟收集纳米纤维置于马弗炉内进行预氧化煅烧以稳定纤维结构；(5)对步骤(4)所得的稳定结构后的纳米纤维置于放有硫脲的Ar/H2管式炉中硫化处理，并初步碳化处理；(6)对步骤(5)所得的初步碳化后的纳米纤维冷却，移除硫脲残渣，继续在通Ar/H2的管式炉中进一步碳化处理，即得最终产物SnS-C纳米纤维。2.根据权利要求1所述的柔性SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法，其特征在于，步骤(1)中，SnCl2·2H2O的加入量为溶液总质量的9.09～16.67％。3.根据权利要求1所述的柔性SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法，其特征在于，步骤(2)中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。4.根据权利要求1所述的柔性SnS-C纳米纤维的静电纺丝制备方法，其特征在于，步骤(2)中，聚乙烯吡咯烷酮的加入量为溶液总质量的7.69～11.11％。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎，夏靖，谢建军，严寒筱，王先友，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43