一种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的制备方法技术

本发明专利技术属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的制备方法。通过自模板共沉积、热处理及刻蚀相结合制备SnO

A preparation method of nitrogen-containing carbon coated sheet tin sulfide composite nano box

【技术实现步骤摘要】
一种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的制备方法
：本专利技术属于电极材料制备
，具体涉及一种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的制备方法。
技术介绍
：由于石墨负极属于插层材料，理论比容量较低，不足以满足人们对锂离子电池能量密度的需求，因而，需要研发具有更高比容量的负极材料。具有合金或转换反应的金属基负极材料因在储能过程中的多电子反应，具有较高的理论比容量，今年来受到人们的广泛关注。在众多的金属转换材料中，硫化锡因其高比容量，成本低，合成方法简单受到研究者的广泛关注。但是硫化锡在嵌锂或嵌钠的过程中会发生大的体积膨胀，在应力的作用下会发生粉化现象从集流体上脱落，造成活性物质的损失及电极材料结构的破坏，影响其循环寿命及实际比容量。此外，硫化锡较低的导电性也是限制其发展的另一个弊端。研究者近年来通过结构纳米化及与碳材料复合的策略来解决上述存在的问题。但是，大多数工作是将硫化锡附着在碳材料表面，这样使得硫化锡直接暴露在电解液中，增加了充放电过程中的副反应，降低了库伦效率和实际比容量；更严重的是碳材料外部生长的硫化锡在充放电过程中发生大的体积变化，在循环应力的作用下会不断从基体材料中脱落，造成活性物质的损失，进而影响循环性能，不能从根本上解决问题。
技术实现思路
：本专利技术要解决的技术问题是大多数的复合方法是将硫化锡附着在碳材料表面，这样使得硫化锡直接暴露在电解液中，增加了充放电过程中的副反应，降低了库伦效率和实际比容量；更严重的是碳材料外部生长的硫化锡在充放电过程中发生大的体积变化，在循环应力的作用下会不断从基体材料中脱落，造成活性物质的损失，进而影响循环性能。为解决上述问题，本专利技术通过简单的溶液法在室温下对二氧化锡纳米方块进行碳包覆，然后再通过液态硫化法对复合纳米颗粒进行硫化获得含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子。这种复合结构充分发挥了硫化锡纳米片高比表面积、高活性位点、高比容量特点，纳米片层之间也可以很好的缓冲硫化锡在充放电过程中大的体积膨胀问题，纳米片大的比表面积不仅可以提高与电解液的接触面积，同时减小了电子和离子的传输路径，这些优点可有效提高电极材料的循环性能和倍率性能。此外，包覆的碳壳不仅可以提高整体的导电性，还能提高结构整体的稳定性。碳壳将纳米片包裹在不同的微腔内，这样每个微腔内的充放电反应都是相互独立的，硫化锡的体积膨胀也都发生在微腔内部，每个碳盒子作为一个整体对外基本没有显著的体积膨胀，这样进一步提升了电极材料的循环稳定性。为达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现，一种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的制备方法，通过自模板共沉积、热处理及刻蚀相结合制备SnO2纳米盒子，然后将SnO2纳米盒子通过超声的方法均匀分散，再与盐酸多巴胺混合搅拌，离心清洗得到聚多巴胺包覆的SnO2纳米盒子SnO2@PDA，再与单质硫混合进行热处理，热处理过程中聚多巴胺碳化，氧化锡硫化成硫化锡，最终得到含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子。其中SnO2纳米盒子在构建含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的过程中充当碳包覆的模板和硫化锡的前驱体。进一步的，制备SnO2纳米盒子的步骤如下：将4mmolSnCl4溶解在20mL的酒精中形成溶液A，4mmolZnCl2和4mmol柠檬酸溶解在140mL去离子水中形成溶液B；将溶液A倒入溶液B，搅拌形成均匀溶液C；将事先配好的20mL2MNaOH溶液快速倒入溶液C中，搅拌一小时后，60mL2MNaOH倒入上述悬浮液中，继续搅拌30分钟，得到的白色沉淀为ZnSn(OH)6纳米盒子，离心清洗然后干燥，此步骤中需碱过量，因为ZnSn(OH)6空心纳米盒子是在碱溶液刻蚀的作用下形成的；离心干燥所得的白色产物经热处理得到产物D，D为Zn2SnO4/SnO2；将D产物用1MHCl刻蚀除去Zn2SnO4，然后用去离子水离心清洗至中性，干燥得到SnO2的碳纳米盒子，在构建含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的过程中充当碳包覆的模板和硫化锡的前驱体。进一步的，离心的白色沉淀物干燥温度为60-100℃。进一步的，白色产物的热处理条件为650℃下保温6小时，得到产物D。进一步的，D产物的刻蚀条件为在1.0MHCl下刻蚀30分钟。进一步的，制备纳米盒子SnO2@PDA的步骤如下：取100mgSnO2纳米盒子通过超声的方法均匀分散在100mlmMtris缓冲溶液中，然后将100mg的盐酸多巴胺倒入上述溶液继续搅拌，离心清洗得到聚多巴胺(PDA)包覆的SnO2纳米盒子SnO2@PDA，包覆过程中SnO2和盐酸多巴胺的量可调。10mMTirs缓冲溶液PH＝8.5，能够保证盐酸多巴胺在这个氛围中发生聚合，形成聚合多巴胺PDA。进一步的，盐酸多巴胺与混合缓冲液的溶液搅拌6小时。进一步的，制备含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的步骤如下：将SnO2@PDA与单质硫混合进行热处理，在此过程中聚多巴胺碳化，SnO2硫化成SnS2，得到含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子。用单质硫将SnO2在特定的温度下硫化成SnS2，同时PDA碳化成含氮碳。进一步的，热处理条件为400℃-600℃惰性气氛下进行保温。一种上述方法制备的含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子，如图1和图2所示，其中碳壳将纳米片包裹在不同的微腔内，每个微腔内的充放电反应都是相互独立的，硫化锡的体积膨胀发生在微腔内部。这种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子复合结构区别于其他硫化锡和碳的复合结构在于：其他的工作是将硫化锡附着在碳材料表面，这样使得硫化锡直接暴露在电解液中，增加了充放电过程中的副反应，降低了库伦效率和实际比容量；更严重的是碳材料外部生长的硫化锡在充放电过程中发生大的体积变化，在循环应力的作用下会不断从基体材料中脱落，造成活性物质的损失，进而影响循环性能。本专利技术的有益效果为：(1)得到的复合纳米盒子结构其它硫化锡和碳材料的复合物结构不同，本专利技术中碳壳将纳米片包裹在不同的微腔内，这样每个微腔内的充放电反应都是相互独立的，硫化锡的体积膨胀也都发生在微腔内部，每个碳盒子作为一个整体对外基本没有显著的体积膨胀，进一步提升了电极材料的循环稳定性。(2)得到的复合纳米盒子结构充分发挥了硫化锡纳米片高比表面积、高活性位点、高比容量特点，纳米片层之间也可以很好的缓冲硫化锡在充放电过程中大的体积膨胀问题，纳米片大的比表面积不仅可以提高与电解液的接触面积，同时减小了电子和离子的传输路径，这些优点可有效提高电极材料的循环性能和倍率性能。此外，包覆的碳壳不仅可以提高整体的导电性，还能提高结构整体的稳定性。附图说明图1是本专利技术的合成扫描电镜图片I；图2是本专利技术的合成扫描电镜图片II。具体实施方式：为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的制备方法，其特征在于：通过自模板共沉积、热处理及刻蚀相结合制备SnO

【技术特征摘要】
1.一种含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子的制备方法，其特征在于：通过自模板共沉积、热处理及刻蚀相结合制备SnO2纳米盒子，然后将SnO2纳米盒子通过超声的方法均匀分散，再与盐酸多巴胺混合搅拌，离心清洗得到聚多巴胺包覆的SnO2纳米盒子SnO2@PDA，再与单质硫混合进行热处理，热处理过程中聚多巴胺碳化，氧化锡硫化成硫化锡，最终得到含氮碳包覆片状硫化锡复合纳米盒子。


2.如权利要求1所述的复合纳米盒子的制备方法，其特征在于：制备SnO2纳米盒子的步骤如下：将4mmolSnCl4溶解在20mL的酒精中形成溶液A，4mmolZnCl2和4mmol柠檬酸溶解在140mL去离子水中形成溶液B；将溶液A倒入溶液B，搅拌形成均匀溶液C；将事先配好的20mL2MNaOH溶液快速倒入溶液C中，搅拌一小时后，60mL2MNaOH倒入上述悬浮液中，继续搅拌30分钟；得到的白色沉淀为ZnSn(OH)6纳米盒子，离心清洗然后干燥；所得的白色产物经热处理得到产物D，D为Zn2SnO4/SnO2；将D产物刻蚀后用去离子水离心清洗至中性，干燥得到SnO2的碳纳米盒子。


3.如权利要求2所述的复合纳米盒子的制备方法，其特征在于：制备SnO2纳米盒子的步骤如下：离心的白色沉淀物干燥温度为60-100℃。


4.如权利要求2所述的复合纳米盒子的制备方法，其特征在于：制备SnO2纳米盒子的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘治明，王晓君，李慧芳，魏晴，李海昌，孙洪冉，徐常蒙，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37