一种Fe2O3纳米碳复合材料及其制备方法和应用技术

技术编号:22332346 阅读:36 留言:0更新日期:2019-10-19 12:42
本发明专利技术属于纳米碳材料制备领域,特别涉及一种Fe2O3纳米碳复合材料及其制备方法和应用。一种Fe2O3纳米碳复合材料,所述的复合材料,具有如下结构通式:CNT@hollow Fe2O3,其中,CNT为碳纳米管,hollow Fe2O3表示Fe2O3中空管,该材料具有管中管结构,内管为碳纳米管,外管为Fe2O3中空管,内管嵌套在外管之内,内管碳纳米管和外管Fe2O3中空管之间预留有一定的间隙空间。该材料作为负极材料可以应用于锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池。

【技术实现步骤摘要】
一种Fe2O3纳米碳复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米碳材料制备领域,特别涉及一种Fe2O3纳米碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
铁的氧化物是一种广泛存在于自然界的化合物,由于原料广泛,价格低廉,有望作为锂离子电池(LIB)负极材料使用。然而单纯铁的氧化物由于导电性差,直接作为锂离子电池负极材料性能很差,因此,研发人员通常将铁的氧化物负载在碳材料表面,形成纳米碳复合材料,常见的如Fe2O3负载于碳纳米管(CNT)上形成Fe2O3/CNT复合材料,这种材料作为锂离子电池负极材料性能得到了提升。然而,由于锂离子脱嵌氧化物过程中会造成活性材料的体积的巨大变化(如Fe2O3为93%)而引起铁的氧化物的聚集和粉碎,导致电池容量快速衰退和差的循环稳定性。为了解决这个问题,通常人们在Fe2O3/CNT外面包覆一层碳层,虽然性能有所改善,然而Fe2O3/CNT复合材料中Fe2O3直接负载CNT上,由于Fe2O3与CNT之间没有预留空间,即使在外层包覆一层碳层,也仍然无法阻止有效电极材料中活性物质的聚集和粉碎。因此,Fe2O3/CNT复合材料为原料制备出碳包覆的Fe2O3/CNT复合材料仍然无法解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种Fe2O3纳米碳复合材料及其制备方法和应用。所述的Fe2O3纳米碳复合材料具有管中管的结构,即内管为碳纳米管,外管为Fe2O3中空管,它嵌套在内管之外,且内管与外管之间预留一定间隙空间。若以此复合材料作为原料,再在其外包覆一层碳层,则氧化物在碳纳米管于外碳层之间自然就有了缓冲氧化物在充放电过程中体积变化的间隙空间即可解决上述技术问题,且更佳的是Fe2O3是直接与外部碳层紧密接触,这样可以有效缩短离子传输距离,提高电池性能。本专利技术的技术方案是:一种Fe2O3纳米碳复合材料,所述的复合材料,具有如下结构通式:CNT@hollowFe2O3,其中,CNT为碳纳米管,hollowFe2O3表示Fe2O3中空管,该材料具有管中管结构,内管为碳纳米管,外管为Fe2O3中空管,内管嵌套在外管之内,内管碳纳米管和外管Fe2O3中空管之间预留有一定的间隙空间。进一步,所述的碳纳米管选自多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、单壁碳纳米管管束其中之一。进一步,所述的单壁碳纳米管管束和多壁碳纳米管的管径选自5-50nm,优选20-50nm。进一步,所述的CNT@hollowFe2O3管径选自60nm-450nm,优选100-200nm,长度选自50nm-10um,优选500nm-3um。进一步,所述的内管碳纳米管和外管Fe2O3中空管之间预留有一定的间隙空间的体积大于或等于Fe2O3中空管中Fe2O3物质体积的93%。进一步,所述的碳纳米管,Fe2O3的含量分别选自18wt%,82wt%。进一步,所述的Fe2O3选自Fe2O3纳米粒子。进一步,所述的Fe2O3纳米粒子呈纳米条状,各条状Fe2O3交联在一起,形成多孔的Fe2O3中空管。本专利技术提供一种Fe2O3纳米碳复合材料在初级或次级电化学发电器、高能发电器和在电化学发光调制系统中的应用,作为负极材料应用于锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池。本专利技术提供一种Fe2O3纳米碳复合材料的二次电池,所述的二次电池包括锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池,所述的锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池包括正极、负极和电解液;所述负极包括:集流体和负载在该集流体上的负极材料;其中,所述负极材料含有所述的复合材料。一种Fe2O3纳米碳复合材料的制备方法,包括以下步骤:1)羧基化碳纳米管的制备:将碳纳米管放在浓硝酸中回流1-6h后,冷却过滤并用去离子水洗涤至中性,干燥备用;所述的碳纳米管选自多壁碳纳米管或单壁碳纳米管其中之一;所述的多壁碳纳米管的管径选自5-50nm,优选20-50nm。2)CNT@C复合纳米材料的制备:将羧基化碳纳米管、十二烷基硫酸钠和葡萄糖分散在去离子水中,超声分散均匀后得到混合物溶液A;所述的羧基化碳纳米管、十二烷基硫酸钠和葡萄糖的质量比为20:2:(400~800)。将混合物溶液A转移至不锈钢反应釜内衬中进行水热反应,在160~200℃下保持3h~48h以上。反应釜自然冷却至室温之后,收集棕色产物,用去离子水和乙醇反复洗涤几次,干燥后得到CNT@C复合纳米材料。所述的CNT@C的结构为碳纳米管外包覆一层碳层,所述的碳层厚度选自1nm以上,优选20-40nm。所述的水热的反应的温度和时间,进一步优选温度180-190℃,时间12~15h。3)CNT@C@FeOOH复合材料的制备:CNT@C溶于乙醇与去离子水的混合溶液中,超声分散均匀后,加入高铁盐与尿素,继续超声分散,得到混合溶液B。将混合溶液B在60-80℃下加热搅拌24h以上。经过滤、洗涤、干燥后得到CNT@C@FeOOH复合材料。所述的CNT@C@FeOOH复合材料的结构为CNT@C外层包覆FeOOH;所述的CNT@C@FeOOH材料具有多层包覆结构,最内核轴心为碳纳米管,碳纳米管表面包覆一层碳层,碳层外再包覆一层FeOOH;所述FeOOH为FeOOH纳米粒子,尺寸平均为3-10nm,所述的乙醇和水的体积比依CNT@C在分散难易决定,只要配置的混合液能分散CNT@C即可,体积比优选32:5.3;4)CNT@hollowFe2O3的制备:将CNT@C@FeOOH置于空气中灼烧至中间C层选择性全部去除掉,而CNT则仍然保留,最后得到CNT@hollowFe2O3复合材料;所述的空气中灼烧温度选自230-550℃,时间选自0.5-12h;优选在空气中以1-20℃/min的速率升温至400℃,并保持2h。所述的Fe2O3呈纳米条状,各条状Fe2O3交联在一起,形成多孔的中空管。与现有技术相比,本专利技术提供的Fe2O3纳米碳复合材料具有管中管结构,内管为碳纳米管,外管为Fe2O3中空管,内管嵌套在外管之内,内管碳纳米管和外管Fe2O3中空管之间预留有一定的间隙空间。这种结构的材料作为原料,然后在外包覆碳层,则容易实现最外层碳层和碳纳米管之间有足够的预留空间。因此,这种管中管结构的Fe2O3纳米碳复合材料是制备其他其特定功能结构的其他复合材料很好的原材料。本专利技术提供的Fe2O3纳米碳复合材料的制备方法的技术要点:步骤2)CNT@C复合纳米材料的制备中,通过调节葡萄糖的用量比例以及调节水热反应温度和时间,可以有效控制C层的厚度,从而有效调控碳纳米管与Fe2O3纳米管之间预留的空间体积。水热的温度和时间直接影响包覆在碳纳米管外层碳层的厚度,提高温度或时间可以增加碳层厚度,理论上讲无限增加葡萄糖的质量及延长反应时间可以将碳层厚度无限增加。步骤4)的创新之处在于准确控制空气灼烧的温度和灼烧进程保证CNT@C材料中的C层去除掉,而CNT被保留,即选择性完全去除掉C层。优选,在空气中以1-20℃/min的速率升温至400℃,并保持2h。本专利技术提供的Fe2O3纳米碳复合材料,以此为原材料进行包覆碳层,能够很好地制备出的具有管中管结构的碳包覆Fe3O4复合材料,所述的管中管结构的碳包覆Fe3O4复合材料,具有如下结构通式:CNT@hollowFe3O4@C,其中,CNT为碳纳米管,holl本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Fe2O3纳米碳复合材料,其特征在于,所述的复合材料,具有如下结构通式:CNT@hollow Fe2O3,其中,CNT为碳纳米管,hollow Fe2O3表示Fe2O3中空管,该复合材料具有管中管结构,内管为碳纳米管,外管为Fe2O3中空管,内管嵌套在外管之内,内管碳纳米管和外管Fe2O3中空管之间预留有一定的间隙空间。

【技术特征摘要】
1.一种Fe2O3纳米碳复合材料,其特征在于,所述的复合材料,具有如下结构通式:CNT@hollowFe2O3,其中,CNT为碳纳米管,hollowFe2O3表示Fe2O3中空管,该复合材料具有管中管结构,内管为碳纳米管,外管为Fe2O3中空管,内管嵌套在外管之内,内管碳纳米管和外管Fe2O3中空管之间预留有一定的间隙空间。2.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述的碳纳米管选自多壁碳纳米管、单壁碳纳米管或单壁碳纳米管管束其中之一。3.根据权利要求2所述的复合材料,其特征在于,所述的单壁碳纳米管管束和多壁碳纳米管的管径选自5-50nm,优选20-50nm。4.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述的内管碳纳米管和外管Fe2O3中空管之间预留有一定的间隙空间的体积大于或等于Fe2O3中空管中Fe2O3物质体积的93%。5.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述的CNT@hollowFe2O3的管径为60nm-450nm,长度50nm-10um;优选的,管径为100-200nm,长度500nm-3um。6.根据权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述的Fe2O3为纳米粒子,纳米粒子为条状,条状交联在一起形成多孔Fe2O3中空管。7.一种Fe2O3纳米碳复合材料的制备方法,包括以下步骤:将CNT@C@FeOOH置于空气中灼烧,灼烧至选择性去除掉全部CNT@C@FeOOH中的中间碳层,最后得到CNT@hollowFe2O3复合材料即所述的Fe2O3纳米碳复合材料;所述的CNT@C@FeOOH材料具有多层包覆结构,最内核轴心为碳纳米管,碳纳米管表面包覆一层碳层,碳层外再包覆一层FeOOH;所述的CNT@hollowFe2O3复合材料即为前述的权利要求1-6任一项所述的Fe2O3纳米碳复合材料。8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述的FeOOH为纳米粒子,纳米粒子尺寸选自3-10nm。9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述的空气中灼烧,选自灼烧温度为230-550℃,时间保持0.5-12h。10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述的空气中灼烧,选自以1-20℃/min的速率升温至400℃,时间保持2h。11.根据权利要求7-10中...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵毅吴初新官轮辉石秀玲
申请(专利权)人:中国科学院福建物质结构研究所
类型:发明
国别省市:福建,35

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