一种镍锡合金基纳米球结构复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种镍锡合金基纳米球结构复合材料及其制备方法，该材料是由部分石墨烯化的碳基质与镶嵌在其中的镍锡合金基纳米颗粒组成的纳米球结构。其制备步骤是先制备获得镍锡二元甘油酸盐纳米球材料，再以其为前驱物进行一步热处理制备得到镍锡合金基纳米球结构复合材料。本发明专利技术的方法思路新颖、操作简便、合成周期短、成本低廉，本发明专利技术制备出的镍锡合金基纳米球结构复合材料在锂电、钠电等储能领域具有很大的应用潜力。

A kind of Ni Sn alloy composite with nano sphere structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种镍锡合金基纳米球结构复合材料及其制备方法
本专利技术属于无机纳米复合材料领域，尤其涉及一种镍锡合金基纳米球结构复合材料及其制备方法。
技术介绍
有机无机配位杂合物(Organic-inorganiccoordinationcomplex)是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机物通过配位作用相互连接，形成的一类具有网络结构的晶态多孔材料。由于这类材料具有多孔、大比表面积、结构丰富多样及多金属位点等特点，它们已经在多个领域中得到了广泛的应用，如催化、传感器、光学、分子磁体与抗癌药物等。虽然金属配位杂合物在与能源相关的领域及应用方面已经得到了大量的研究，但是，以其作为模板/前驱物用于能源转化与储能设备的研究则少见报道。特别是以锡为金属源的有机无机配位杂合物，由于锡离子在水中极易水解产生沉淀，因此关于锡基有机无机配位杂合物的制备的报道十分稀少；此外，二元甚至多元金属配位杂合物，因其可能反应产物多样且复杂、反应条件不易控制等，关于二元甚至多元金属配位杂合物的可控制备的文献报道则更为少见。通过改变金属离子、有机配体和添加剂的种类及配比、反应温度与反应时间的调节，可以有效地改变制备得到的形貌，并可在尺寸上实现微纳米可控制备；将制备得到的具有特殊形貌的有机无机配位杂合物材料在惰性气体中一步高温热处理，无机金属中心会转化为金属单质或其化合物，而有机配体则会碳化，从而得到有碳层包覆的金属/金属氧化物复合材料。由于有机无机配位杂合物材料中无机金属中心及有机配体的规律性网络排列，热处理后的金属/金属化合物将会被碳层在低尺寸层面(数纳米)均匀地包覆，可以有效地避免纳米金属/金属化合物颗粒间的大范围团聚；此外，部分无机金属(如镍、钴等)在高温热处理过程中具有一定的催化性，能够有效地使无定型碳转化为石墨烯材料，进而改善碳材料的热稳定性及机械稳定性；另外，当以二元甚至多元金属配位杂合物为模板/前驱物时，热处理后得到的复合材料中可能得到更为丰富的多组分材料，这可能会在后续的性能测试中通过不同组分间的协同作用进一步改善复合材料的综合性能。因此，以有机无机配位杂合物材料为模板/前驱物热处理得到的复合材料不仅能够一步实现金属/金属化合物与碳材料间的有效均匀复合，而且制备得到的复合材料能够基本保持模板/前驱物的形貌，从而实现特殊形貌的设计及微纳米结构的可控制备，此外，采用二元甚至多元有机无机配位杂合物材料为模板/前驱物时甚至可以实现更为丰富的多组分复合材料的可控制备。目前制备锡基化合物/碳复合材料的方法大多数为两步法，即先制备出锡基化合物纳米颗粒，再通过常温或高温的方法与有机物或碳材料复合，从而形成锡基化合物/碳复合材料或其前驱物，该方法步骤繁琐，操作复杂。而本专利技术通过制备二元(镍、锡)有机无机配位杂合物材料，并以其为前驱物进行一步热处理制备得到锡基化合物/碳纳米复合材料，锡基化合物均匀地被碳层包覆；此外，由于镍的存在，在高温热处理过程中，一方面有效地催化无定型碳材料，提升碳材料的石墨化程度，另一方面与锡形成较为罕见的Ni3Sn4合金，进而形成主体为Ni3Sn4基的复合材料。因此，这是一种操作简便且快速制备锡基化合物/碳纳米复合材料的方法。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术提供一种操作简单、成本低廉、具有一定石墨化程度的碳层包覆的镍锡合金基纳米球结构复合材料及其制备方法。该方法是一种以镍盐、锡盐、甘油和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料制备镍锡合金基纳米球结构复合材料的方法，特别是一种方案新颖、操作简便、合成周期短、成本低廉的制备镍锡合金基纳米球结构复合材料的方法。本专利技术所采用的技术方案如下：一种镍锡合金基纳米球结构复合材料，该材料为粒径在300～500nm的纳米球，所述的纳米球由部分石墨烯化的碳基质与镶嵌在其中的镍锡合金基纳米颗粒自组装形成，所述的镍锡合金基纳米颗粒的粒径为10～60nm，所述的部分石墨烯化的碳基质在纳米颗粒与碳的界面处有3～6个石墨烯层，所述的镍锡合金基纳米颗粒均匀地分散在所述的部分石墨烯化的碳基质中。本专利技术的第二目的是提供制备上述的镍锡合金基纳米球结构复合材料的方法，该方法包括以下步骤：⑴称取镍盐、锡盐和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)；⑵将步骤(1)中称取的各反应原料分散在甘油和异丙醇的混合溶剂中，于超声条件下进行充分溶解与分散，形成淡绿色的反应清液；⑶将步骤(2)中的淡绿色的反应清液转移至有Teflon内衬的不锈钢反应釜中，于烘箱中进行溶剂热反应，反应结束后离心分离得到的沉淀为镍锡二元甘油酸盐材料；⑷以步骤(3)得到的镍锡二元甘油酸盐为前驱物，在氩气气氛保护的管式炉中进行热处理，热处理后得到Ni3Sn4基/碳纳米球结构复合材料。在所述的Ni3Sn4基/碳纳米球结构复合材料的制备方法中，是以镍盐、锡盐和甘油为原料，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为分散剂，以甘油-异丙醇混合溶剂为反应溶剂，通过溶剂热的方法制备得到材料的前驱物：镍锡二元甘油酸盐，再对该前驱物进行惰性气氛一步热处理，最终得到Ni3Sn4基/碳纳米球结构复合材料。该制备历程可分为以下几个阶段：1.溶剂热条件下Ni2+和Sn2+与甘油负离子的自组装：在溶剂热的高温高压条件下，Ni2+和Sn2+与甘油负离子通过配位的方式自组装形成空间周期性排列的有机无机配位杂合物材料。在自组装过程中，由于Ni2+和Sn2+均具有丰富的空的d轨道(3d或4d)，Ni2+和Sn2+均可与甘油负离子进行配位，从而实现镍锡二元有机无机配位杂合物材料的制备。有趣的是，通过反应溶剂的选取与配比，可对得到的有机无机配位杂合物的形貌进行调控。当选用甘油与异丙醇的混合溶剂时，可得到纳米球形的有机无机配位杂合物材料。2.一步热处理转化得到Ni3Sn4基/碳纳米球结构复合材料：通过对上述得到的镍锡二元有机无机配位杂合物材料进行惰性气氛中热处理，实现Ni3Sn4基/碳纳米球结构复合材料的一步制备。热处理过程中，由于是在惰性气氛保护下进行，有机配体由于碳含量过剩，会以转化为碳层的形式保留，而金属离子(Ni2+,Sn2+)在碳材料的还原作用下，会转化为性质稳定的以镍锡合金(Ni3Sn4)为主的锡基化合物。而由于金属离子与有机配体是规律性网络排列，有机配体转化的碳层可有效地包覆在金属化合物纳米颗粒周围，以防止纳米颗粒间的进一步团聚。此外，由于镍的存在，在惰性气氛高温热处理过程中，一方面能有效地催化无定型碳材料，提升碳材料的石墨化程度，另一方面与锡形成较为罕见的Ni3Sn4合金，进而实现主体为Ni3Sn4基/碳的复合材料的制备。通过优化热处理的条件，可实现前驱物球形形貌的保持，从而得到Ni3Sn4基/碳纳米球结构复合材料。在所述的镍锡合金基纳米球结构复合材料的制备方法中，在步骤(1)中所述的镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、醋酸镍中的一种，所述的锡盐为二氯化亚锡、硫酸亚锡中的一种。作为优选，镍盐和锡盐的摩尔比为：镍盐∶锡盐＝2∶1～1:2，PVP和总过渡金属盐的比例为：PVP：总盐＝1g：0.9mmol，总过渡金属盐为镍盐和锡盐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍锡合金基纳米球结构复合材料，其特征在于，该材料为粒径在300～500nm的纳米球，所述的纳米球由部分石墨烯化的碳基质与镶嵌在其中的镍锡合金基纳米颗粒自组装形成，所述的镍锡合金基纳米颗粒的粒径为10～60nm，所述的部分石墨烯化的碳基质在纳米颗粒与碳的界面处有3～6个石墨烯层，所述的镍锡合金基纳米颗粒均匀地分散在所述的部分石墨烯化的碳基质中。/n

【技术特征摘要】
1.一种镍锡合金基纳米球结构复合材料，其特征在于，该材料为粒径在300～500nm的纳米球，所述的纳米球由部分石墨烯化的碳基质与镶嵌在其中的镍锡合金基纳米颗粒自组装形成，所述的镍锡合金基纳米颗粒的粒径为10～60nm，所述的部分石墨烯化的碳基质在纳米颗粒与碳的界面处有3～6个石墨烯层，所述的镍锡合金基纳米颗粒均匀地分散在所述的部分石墨烯化的碳基质中。


2.制备如权利要求1所述的镍锡合金基纳米球结构复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
⑴称取镍盐、锡盐和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)；
⑵将步骤(1)中称取的各反应原料分散在甘油和异丙醇的混合溶剂中，于超声条件下进行充分溶解与分散，形成淡绿色的反应清液；
⑶将步骤(2)中的淡绿色的反应清液转移至有Teflon内衬的不锈钢反应釜中，于烘箱中进行溶剂热反应，反应结束后离心分离得到的沉淀为镍锡二元甘油酸盐材料；
⑷以步骤(3)得到的镍锡二元甘油酸盐为前驱物，在氩气气氛保护的管式炉中进行热处理，热处理后得到的镍锡合金基纳米球结构复合材料。


3.根据权利要求2所述的镍锡合金基纳米球结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，镍盐和锡盐的摩尔比为：镍盐∶锡盐＝2∶1～1:2，步骤1)中PVP和总过渡金属盐的比例为：PVP：总盐＝1g：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建明，何志顺，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33