空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法技术

一种空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法，该方法利用原位合成的方法，在ZIF‑8上制备了ZIF‑8@SiO

Preparation of hollow silica coated polyhedral carbon composites

【技术实现步骤摘要】
空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法
本专利技术属于锂离子电池负极材料
，特别涉及一种空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池(LIBs)在便携式电子产品中得到了广泛的应用。随着电动汽车的发展，对高能量密度电池提出了更高的要求。商用石墨材料的比容量只有372mAh·g-1，这意味着高能密度LIBs的发展是有限的。近年来，自从研究者发现SiO2对Li+具有电化学活性以来，其理论比容量为1965mAh·g-1，被认为是最有希望成为下一代负极材料。然而，由于存在一些缺陷使SiO2不能实际用作锂离子电池的负极。例如，充放电过程中体积变化大，本征导电性差，导致电化学性能不佳等。为了改善SiO2作为负极的电化学性能。近年来，研究人员开发了多种SiO2材料，例如纳米颗粒、薄膜、纳米晶等，都具有良好的性能。值得注意的是，为了提高SiO2的电化学性能，有两种主要的策略成为主流。一种有效的方法是设计缓冲体积变化的SiO2空心结构。另一种方法是设计一个碳涂层表面的SiO2提高导电性。但是在大电流密度下，它们不能满足更多的充放电循环次数。一方面，虽然空心结构策略解决了体积变化的问题，但仍然存在导电性低的问题。另一方面，碳涂层策略解决了导电性问题和部分体积变化。然而，在反应过程中，Li+必须穿透碳层，这极大地阻碍了其动力学性能。
技术实现思路
有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法。一种空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法，包括ZIF-8@SiO2制备步骤和PC@SiO2制备步骤，所述ZIF-8@SiO2制备步骤具体包括如下步骤：将40mg的ZIF-8粉末加入到204mL的无水乙醇中，超声搅拌5min，形成第一溶液；向第一溶液中加入3.3mL的氢氧化钠溶液，该氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.1mol/L，形成第二溶液；将含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液2.4mL分三次加入第二溶液中，每次间隔30min，每次加入0.8mL的含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液，然后在室温下搅拌18～26h，形成第三溶液；将形成的第三溶液离心取第一沉淀物，将第一沉淀物用无水乙醇进行离心洗涤三次，并在60℃下烘干12h，得到ZIF-8@SiO2粉末；所述PC@SiO2制备步骤具体包括如下步骤：将ZIF-8@SiO2粉末放入瓷船，将瓷船放入真空炉，将真空炉抽空至真空度为1.0×10-2pa；以50sccm的流速向真空炉中注入氮气，将真空炉的真空度保持在1.0×10-2pa，并将真空炉以5℃/min升温速率由室温升至800℃，并保温1.5h；真空炉自然冷却至室温，得到PC@SiO2。优选的，在ZIF-8@SiO2制备步骤中，将含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液2.4mL分三次加入第二溶液中，每次间隔30min，每次加入0.8mL的含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液，然后在室温下搅拌18h，形成第三溶液。优选的，在ZIF-8@SiO2制备步骤中，将含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液2.4mL分三次加入第二溶液中，每次间隔30min，每次加入0.8mL的含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液，然后在室温下搅拌26h，形成第三溶液。本专利技术不同于单一的空心结构和单一的碳包层结构。本专利技术设计的空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料，作为高性能LIBs负极。归因于其新的结构，它是由一个碳内层，SiO2外层组成。因此，Li+直接与SiO2反应，促进了其动力学性能。另一方面，碳内层提高了电荷的输运和导电性。此外，其新的结构中间的空腔为体积膨胀提供了缓冲空间，从而增强了电化学和LIBs的性能。附图说明图1为18-PC@SiO2和26-PC@SiO2在电流密度为100mA·g-1时的循环性能图。图2为18-PC@SiO2在电流密度为200mA·g-1时的循环性能图。图3为18-PC@SiO2和26-PC@SiO2的交流阻抗图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对结合实施例作进一步的说明。本专利技术实施例提供了一种空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法，包括ZIF-8@SiO2制备步骤和PC@SiO2制备步骤，所述ZIF-8@SiO2制备步骤具体包括如下步骤：将40mg的ZIF-8粉末加入到204mL的无水乙醇中，超声搅拌5min，形成第一溶液；向第一溶液中加入3.3mL的氢氧化钠溶液，该氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.1mol/L，形成第二溶液；将含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液2.4mL分三次加入第二溶液中，每次间隔30min，每次加入0.8mL的含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液，然后在室温下搅拌18～26h，形成第三溶液；将形成的第三溶液离心取第一沉淀物，将第一沉淀物用无水乙醇进行离心洗涤三次，并在60℃下烘干12h，得到ZIF-8@SiO2粉末；所述PC@SiO2制备步骤具体包括如下步骤：将ZIF-8@SiO2粉末放入瓷船，将瓷船放入真空炉，将真空炉抽空至真空度为1.0×10-2pa；以50sccm的流速向真空炉中注入氮气，将真空炉的真空度保持在1.0×10-2pa，并将真空炉以5℃/min升温速率由室温升至800℃，并保温1.5h；真空炉自然冷却至室温，得到PC@SiO2。进一步，在ZIF-8@SiO2制备步骤中，将含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液2.4mL分三次加入第二溶液中，每次间隔30min，每次加入0.8mL的含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液，然后在室温下搅拌18h，形成第三溶液。进一步，在ZIF-8@SiO2制备步骤中，将含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液2.4mL分三次加入第二溶液中，每次间隔30min，每次加入0.8mL的含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液，然后在室温下搅拌26h，形成第三溶液。上述ZIF-8为金属有机框架，其具体制备方法：首先称取10.8g的二甲基咪唑超声溶解于100mL的去离子水中，然后将溶液移至磁力搅拌台上室温搅拌，紧接着加入4mL浓度为0.01M的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液，继续搅拌5分钟,形成溶液A；将0.7g的硝酸锌六水合物(Zn(NO3)2·6H2O)超声溶解于100mL的去离子水中，形成溶液B，将B倒入A中搅拌5分钟，然后在室温下静置3小时。最后采用离心方法取沉淀物（10000r/min10min），用去离子水进行反复离心洗涤3次，将收集到的白色沉淀70℃干燥12小时得到ZIF-8粉末。上述空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料在ZIF-8@SiO2制备步骤中，在形成第三溶液时，搅拌18h形成的二氧化硅包覆多面体碳复合材料以18-PC@SiO2表示，搅拌26h形成的二氧化硅包覆多面体碳复合材料以26-PC@SiO2表示。18-PC@SiO2具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括ZIF-8@SiO

【技术特征摘要】
1.一种空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括ZIF-8@SiO2制备步骤和PC@SiO2制备步骤，所述ZIF-8@SiO2制备步骤具体包括如下步骤：
将40mg的ZIF-8粉末加入到204mL的无水乙醇中，超声搅拌5min，形成第一溶液；
向第一溶液中加入3.3mL的氢氧化钠溶液，该氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.1mol/L，形成第二溶液；
将含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液2.4mL分三次加入第二溶液中，每次间隔30min，每次加入0.8mL的含有20%正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液，然后在室温下搅拌18～26h，形成第三溶液；
将形成的第三溶液离心取第一沉淀物，将第一沉淀物用无水乙醇进行离心洗涤三次，并在60℃下烘干12h，得到ZIF-8@SiO2粉末；
所述PC@SiO2制备步骤具体包括如下步骤：
将ZIF-8@SiO2粉末放入瓷船，将瓷船放入真空炉，将真空炉抽空至真空度为1.0×10...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海波，张泽豪，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：宁夏;64