一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，属于纳米材料制备技术领域。该方法包括：将镁粉、纳米氧化硅以及无机盐按照一定比例混合后采用干压成型工艺压制成片状，然后将片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中高温煅烧，煅烧完成后分别在盐酸溶液和氢氟酸溶液中进行一次酸洗和二次酸洗，离心清洗至中性，最后真空干燥得到碳纳米片包覆纳米硅复合材料。本发明专利技术提供的原位制备方法操作简单，条件温和，在相对较低的温度下利用简单设备实现了碳纳米片包覆纳米硅复合材料的制备，安全环保，有效降低了碳改性纳米硅复合材料的制备成本。

In situ preparation method of carbon nanosheet coated nanocrystalline silicon composite

The invention discloses an in-situ preparation method for carbon nanoscale coated nano silicon composite material, which belongs to the technical field of nanometer material preparation. The method includes: mixing magnesium powder, nanoscale silicon oxide and inorganic salt in a certain proportion and pressing into flake by dry pressing process, then calcining the sheet material in a tube furnace under carbon dioxide atmosphere. After calcining, the acid solution and two acid washing are carried out in hydrochloric acid solution and hydrofluoric acid solution, respectively, and then the sheet material is calcined in the hydrochloric acid solution and hydrofluoric acid solution. The carbon nanosheets were coated with nanocrystalline silicon composites by vacuum drying. The in-situ preparation method provided by the invention is simple in operation and mild conditions. The preparation of carbon nanoscale coated nano silicon composite material is realized by simple equipment at relatively low temperature, and it is safe and environmentally friendly and effectively reduces the preparation cost of carbon modified nanoscale composites.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法
本专利技术涉及纳米材料制备
，具体为一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法。
技术介绍
当今社会，伴随着经济的高速发展，能源危机和环境问题日益加剧。锂离子电池因其具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽、安全可靠以及环境友好等优点而被广泛应用在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域。其中硅作为负极材料因其较高的理论比容量、低的脱锂电位以及环境友好、储量丰富而引起大家的广泛关注。但是硅基负极材料在使用中仍存在关致命缺点：硅材料在充放电过程中反复膨胀收缩，导致循环性能极差。为了解决这个问题，目前研究者主要从制备纳米级的硅材料及其进行碳包覆或者氧化钛包覆。对于制备碳包覆的纳米硅复合材料方面，由于作为新型碳纳米材料的石墨烯具有优异的电学、力学性能，高的理论比表面积，所以研究者多是将石墨烯与纳米硅直接复合或者采用气相裂解技术对纳米硅进行碳包覆，其中气相裂解法采用甲烷或者乙炔作为碳源，成本较高，且容易发生爆炸，不安全。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，方法温和，工艺简单，安全环保，有效降低了碳改性纳米硅复合材料的制备成本。本专利技术提供的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，包括以下步骤：S1、按照4～12：1：1～8的物质的量之比称量镁粉、纳米氧化硅以及无机盐并混合均匀，将混合物下采用干压成型工艺压制成片状；S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，按照3～5℃/min的速率升温至650～720℃并保温120～360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行30～60min的一次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，然后进行15～30min的二次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，最后将离心产物于60～90℃下进行真空干燥，干燥时间为6～24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。优选的，S1中镁粉的粒径为10～70μm，纳米氧化硅的粒径为40～80nm。优选的，S1无机盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙以及氯化镁中的一种或者多种。优选的，S1中干压成型工艺的压力为15～25MPa。优选的，S2煅烧过程中二氧化碳气体的流量为10～30mL/min。优选的，S3中一次酸洗采用体积分数为20％～30％的盐酸溶液，二次酸洗采用体积分数为5％～10％的氢氟酸溶液。优选的，离心清洗时设定的转速为8000～10000r/min。有现有技术相比，本专利技术的制备方法具有以下有益效果：本专利技术通过原位制备的方法得到碳纳米片包覆纳米硅的复合材料，采用纳米氧化硅为硅源，二氧化碳为碳源，镁为还原剂，无机盐作为硬模板，通过高温原位还原，纳米氧化硅被还原为硅，多余的镁还原二氧化碳为碳，且在无机盐硬模板表面沉积为碳纳米片。该方法成本低廉，条件温和，安全环保，有效解决了现有的气相裂解法存在的易爆炸不安全以及环境污染等问题。附图说明图1为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；图2为实施例2的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；图3为实施例3的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；图4为实施例4的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；图5为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；图6为实施例2的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；图7为实施例3的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；图8为实施例4的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；图9为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的透射电镜图和扫描能谱图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。实施例1S1、按照8：1：2的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠1.92g、0.6g以及1.168g，其中镁粉的粒径为70μm，纳米氧化硅的粒径为40nm，然后将粉末混合均匀并于20MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为10mL/min，按照5℃/min的速率升温至670℃并保温240min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为20％的盐酸溶液中浸泡30min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行15min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于60℃进行真空干燥，干燥时间为24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。实施例2S1、按照4：1：1的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠0.96g、0.6g以及0.584g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为80nm，然后将粉末混合均匀并于15MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为20mL/min，按照3℃/min的速率升温至650℃并保温360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为25％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于8000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为10％的氢氟酸溶液中进行30min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于90℃进行真空干燥，干燥时间为6h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。实施例3S1、按照12：1：8的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠2.88g、0.6g以及4.672g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为80nm，然后将粉末混合均匀并于25MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为30mL/min，按照5℃/min的速率升温至720℃并保温120min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为30％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行15min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。实施例4S1、按照10：1：5的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠2.4g、0.6g以及2.92g，其中镁粉的粒径为10μm，纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照4～12：1：1～8的物质的量之比称量镁粉、纳米氧化硅以及无机盐并混合均匀，将混合物采用干压成型工艺压制成片状；S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，按照3～5℃/min的速率升温至650～720℃并保温120～360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行30～60min的一次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，然后进行15～30min的二次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，最后将离心产物于60～90℃下进行真空干燥，干燥时间为6～24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照4～12：1：1～8的物质的量之比称量镁粉、纳米氧化硅以及无机盐并混合均匀，将混合物采用干压成型工艺压制成片状；S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，按照3～5℃/min的速率升温至650～720℃并保温120～360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行30～60min的一次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，然后进行15～30min的二次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，最后将离心产物于60～90℃下进行真空干燥，干燥时间为6～24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。2.如权利要求1所述的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，所述S1中镁粉的粒径为10～70μm，纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱聪旭，陈超，岳红伟，李婷婷，杨晓刚，武玺旺，铁伟伟，高远浩，郑直，
申请(专利权)人：许昌学院，
类型：发明
国别省市：河南,41