单层石墨烯包覆FeS制造技术

本发明专利技术涉及一种单层石墨烯包覆FeS

Single graphene coated FES

【技术实现步骤摘要】
单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管材料的制备方法及应用
本专利技术属于材料科学和电化学
，尤其是涉及一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
作为一种高效的新型清洁能源，锂离子电池因具有众多的优点而倍受关注并得到快速的发展。与传统二次电池相比，锂离子电池具有比能量密度大、工作电压高、循环寿命长等优点。在实际应用中，锂离子二次电池已成功实现商业化，成为电脑、移动电话、新能源汽车等的主要能源。过渡金属二硫化物(TMDs)由于其晶体结构独特、机械性能优良等物理化学性质，在能源储存与转换和电子设备等领域引起了很大的关注。就技术层面而言，TMDs具备大电流充放电能力优异、循环寿命长、工作温度范围广等优势，是一种丰富廉价的环境友好型自然资源。因此，关于TMDs材料(尤其是自然矿物)的研究已经成为目前先进能源领域最热门的话题之一。黄铁矿(FeS2)是由地质丰富的元素(硫和铁)组成的半导体，由于其理论容量高(890mAhg-1)、成本低和环保而广受关注。事实上，Li/FeS2电池作为一次电池已经商业化，因为它有更高的容量和寿命。然而，作为可充电锂离子电池负极时，材料在充电/放电循环中会造成大的体积变化和严重的容量衰减，这阻碍它在可充电电池方面的使用。常用的方法是利用导电性优良的碳材料掺杂，形成合理结构的FeS2/碳复合材料，有效地缓冲体积变化问题和提高材料整体的导电性，从而改善活性物质的电性能。石墨烯作为具有独特的二维平面结构的碳材料，具有导电性高，延展性好，优异的机械性能等结构特点。因此，将石墨烯与与负极材料复合后通过协同作用能有效提高电极材料的电化学性能。中国专利CN105932256A公布了一种石墨烯基FeS2纳米材料及制备与应用。所述的制备方法为：将氧化石墨烯超声分散于水中得到氧化石墨烯悬浊液，再加入还原剂超声处理后得到石墨烯悬浊液；将Na2S与S加入到水中，加热搅拌溶解均匀，得到Na2S2溶液；将FeSO4溶于水并与石墨烯悬浊液混合，然后加入Na2S2溶液，升温至100℃，在惰性气体气氛下回流反应0.5～3h，反应产物经离心分离、干燥、研磨，得到石墨烯基FeS2纳米材料；但是该专利技术在作为锂离子电池负极材料时，导电能力不足，电性能有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的导电性能不佳缺陷而提供一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管材料的制备方法及应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：制备Na2S2溶液；将氧化石墨烯分散于水中获得氧化石墨烯悬浊液，将碳纳米管分散于水中获得碳纳米管悬浊液；将亚硫酸铁溶于水中，并加入抗坏血酸，然后加入分散均匀的氧化石墨烯悬浊液和碳纳米管悬浊液，最后加入Na2S2溶液获得反应混合液；将上述反应混合液在氮气氛围下回流反应，反应产物经过冷却、固液分离、洗涤、干燥得到所述的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料。所述的氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为1.2～2.4:1；所述的Na2S与氧化石墨烯的比例为1mmol：0.03～0.06g。所述的抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比为1:1.5～2。所述的制备Na2S2溶液的步骤为将等摩尔量的硫化钠和硫粉加入去离子水中，加热搅拌溶解均匀，得到所述的Na2S2溶液。所述的硫化钠为Na2S·9H2O。所述的氧化石墨烯和碳纳米管均通过超声分散于水中。所述的回流反应的反应时间为0.5～1.5小时，优选为1小时。所述的固液分离的方法为离心；所述的洗涤的方法为用去离子水和乙醇对固体离心洗涤。本专利技术还提供了采用上述制备方法得到的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的应用，该单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料和粘结剂搅拌混合均匀，将混合物料涂覆到铜箔上，干燥后得到锂离子电池负极。所述的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料和粘结剂的质量比为9:1；所述的粘结剂为PVDF。本专利技术在体系中进一步引入了碳纳米管，利用碳纳米管的可逆能量密度与常用的石墨阳极材料相匹配，因此可以作为锂离子电池电极材料的首要选择。利用该材料可以缓解电池的体积膨胀问题。此外，使用碳纳米管改进的电池的具有优良的稳定性和循环性，并且锂离子电池的放电容量显著提高，电池性能也得到改善。因此，本专利技术在进一步制作锂离子负极材料中，只需要将本专利技术的复合材料和粘结剂混合即可，不再加入导电炭，增加了活性物质的比重。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术过液相沉积的制备单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法，能够使FeS2颗粒与碳纳米管包覆在石墨烯片层中间，具有方法简便，易于操作的特点；(2)本专利技术以石墨烯和碳纳米管作为原材料，使得此方法具备可设计性，成本低廉；(3)本专利技术的方法制备出的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料具有高的比容量和倍率性能，在可充电电池领域具有广泛的应用前景；(4)本专利技术的复合材料作为锂离子电池负极显示了优异的电化学性能，具有高比容量、循环稳定性优越、低成本等特点；符合锂离子电池绿色发展的趋势，在能源电池、移动便携式小型电池等领域具有非常好的应用前景。附图说明图1为实施例1得到的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的SEM照片；图2为实施例1～3得到的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料作为锂离子电池负极材料的循环性能图；图3为实施例1～3得到的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料作为锂离子电池负极材料的倍率性能图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法，并将制备得到的复合材料用作锂离子电池负极材料，测试其电化学性能。(1)将4mmolNa2S·9H2O和4mmol硫粉放入装有50mL去离子水的烧杯中，边加热边进行磁力搅拌直至形成棕黄色溶液A。取0.12g氧化石墨烯溶液和0.1g碳纳米管分别溶解在20mL中烧杯进行超声分散均匀。2mmolFeSO4·7H2O溶于20mL去离子水中，加入0.06g的抗坏血酸，再加入分散均匀的氧化石墨烯溶液和碳纳米管进行混合。最后加入溶液A在N2氛围下回流1h得到黑色的沉淀。将黑色沉淀自然冷却至室温后，采用去离子水和乙醇对材料进行离心，在60℃下干燥得到rGO包覆的介孔单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料，记为FeS2/CNTs/rGO-1复合材料。该单层石墨烯包覆的FeS2/CNTs/rGO-1复合材料的SEM照片如图1所示，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单层石墨烯包覆FeS

【技术特征摘要】
1.一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备Na2S2溶液；
将氧化石墨烯分散于水中获得氧化石墨烯悬浊液，将碳纳米管分散于水中获得碳纳米管悬浊液；
将亚硫酸铁溶于水中，并加入抗坏血酸，然后加入分散均匀的氧化石墨烯悬浊液和碳纳米管悬浊液，最后加入Na2S2溶液获得反应混合液；
将上述反应混合液在氮气氛围下回流反应，反应产物经过冷却、固液分离、洗涤、干燥得到所述的单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料。


2.根据权利要求1所述的的一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为1.2～2.4:1；所述的Na2S与氧化石墨烯的比例为1mmol：0.03～0.06g。


3.根据权利要求1所述的的一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述的抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比为1:1.5～2。


4.根据权利要求1所述的的一种单层石墨烯包覆FeS2/碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述的制备Na2S2溶液的步骤为将等摩尔量的硫化钠和硫粉加入去离子水中，加热搅拌溶解均匀，得到所述的Na2S2溶液。

【专利技术属性】
技术研发人员：韩生，常宾，刘芸霜，刘凤茹，孔玥，马健，孙瑶馨，薛原，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31