一种异质结构/石墨烯复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开一种异质结构/石墨烯复合材料的制备方法及其应用，方法包括以下步骤：(1)将植酸加入铁盐溶液中搅拌均匀；(2)将氧化石墨烯溶液加入步骤(1)后的溶液中，搅拌均匀；(3)将步骤(2)后的溶液置于反应釜中进行水热反应，反应完成后洗涤沉淀，干燥；(4)将步骤(3)中干燥的产物在还原气氛中进行热处理，冷却，得到异质结构FeP/Fe

【技术实现步骤摘要】
一种异质结构/石墨烯复合材料的制备方法及其应用
本专利技术属于锂硫电池领域，尤其涉及一种异质结构(FeP/Fe2P)和石墨烯复合的材料的制备方法。
技术介绍
随着移动电子设备和动力汽车的发展，以锂离子电池为储能设备的储能体系，已经逐渐难以满足日益增长的社会需求。目前，锂硫电池由于其更高的能量密度(2600Whkg-1)、原料丰富以及环境友好等特点已经引起了广泛关注，被认为是最有前景的新一代电化学储能装置。然而，硫本身的绝缘性(5×10-30Scm-1)，滞后的动力学，多硫化物穿梭效应以及硫的体积膨胀(79％)，限制了锂硫电池的进一步发展。从正极材料出发，在引入高导电性的材料基础上，目前常用以下三种方案来解决这些问题：(1)物理限域，通过设计合成具有微纳尺寸的孔径，然后将硫封装于此多级孔中，来限制多硫化物从孔洞中逸出，然而由于碳材料本身的非极性，对多硫化物吸附性不强，限制了其进一步发展；(2)化学吸附，通过引入一系列极性材料对多硫化物进行吸附，形成化合键等，防止多硫化物溶解到电解液中，但是极性化合物本身的导电性较差，不利于电池倍率性能的发挥；(3)催化效应，通过增强充放电过程中的动力学，实现多硫化物的迅速转换，减少多硫化物的流失。然而目前通常是引入单一的过渡金属化合物，其有限的活性位点，难以实现活性物质硫的充分转换。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种异质结构(FeP/Fe2P)和石墨烯复合的材料的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种异质结构/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将植酸加入铁盐溶液中搅拌均匀；(2)将氧化石墨烯溶液加入步骤(1)后的溶液中，搅拌均匀；(3)将步骤(2)后的溶液置于反应釜中进行水热反应，反应完成后洗涤沉淀，干燥；(4)将步骤(3)中干燥的产物在还原气氛中进行热处理，冷却，得到异质结构FeP/Fe2P与石墨烯复合材料。上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述植酸与铁盐的摩尔比为1：1～15。上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述铁盐为氯化铁、硝酸铁、乙酸铁、乙酸丙酮铁中的一种或多种；所述铁盐溶液是指铁盐的水溶液。上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，所述氧化石墨烯溶液浓度为2～5mgmL-1，所述氧化石墨烯溶液与铁盐的质量比为1：1～3。上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，所述水热反应温度为120～200℃，水热反应时间为6～18h。上述的制备方法，优选的，步骤(4)中，所述热处理的温度为750～850℃，保温时间为1-3h。热处理的温度和时间不得超过本专利技术的范围，否则，会使FeP全部转化为Fe2P，无法获得异质结构的FeP/Fe2P。上述的制备方法，优选的，步骤(4)中，热处理前的升温速率为3～5℃min-1，热处理后的降温速度为3～5℃min-1。上述的制备方法，优选的，步骤(4)中，还原气氛是指还原气体和惰性气体的混合气氛，还原气体和惰性气体的浓度比为1～5：10。上述的制备方法，优选的，所述还原气体为H2，所述惰性气体为Ar。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种锂硫电池，包括上述制备方法制备得到的异质结构/石墨烯复合材料。本专利技术通过水热法先制备出Fe-P前驱体球，该球具有一定的孔隙结构，可以限制硫的损失；再将Fe-P前驱体球与氧化石墨烯溶液混合，保证Fe-P前驱体球在氧化石墨烯溶液中分布均匀，再在高温下还原，调控还原反应的温度和时间，使前驱体转化为FeP/Fe2P异质结构，从而获得异质结构(FeP/Fe2P)/石墨烯复合材料，由于FeP和Fe2P本身具有催化活性位点，再加上FeP/Fe2P异质界面的构建(异质界面处的电子得失比较活跃)更是显著提高了催化活性位点，更有利于多硫化物的催化转化。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术制备方法制备的异质结构(FeP/Fe2P)/石墨烯复合材料相较于单纯的FeP或Fe2P与碳材料复合，由于FeP/Fe2P颗粒本身具有一定催化作用，且其是由不同晶体构成的异质界面，可显著增强催化能力，表现为更加优异的电化学性能。(2)本专利技术提供的锂硫电池中，FeP/Fe2P异质结构和石墨烯复合材料作为正极材料，在吸附多硫化物的同时，可以增加活性位点，加速多硫化物的转化，同时采用石墨烯作为导电材料，为锂硫电池提供了丰富的电子路径。(3)本专利技术制备方法过程中采用盐、植酸等原材料价格低廉，相比于现有技术中采用磷化氢和单质磷作为磷源，具有环境友好，工艺操作简单，适合商业化生产的优势。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备的FeP/Fe2P与石墨烯复合材料的XRD图谱；图2为本专利技术实施例1所制备的FeP/Fe2P与石墨烯复合材料的扫描图；图3为本专利技术实施例1所制备的FeP/Fe2P与石墨烯复合材料的透射图；图4为本专利技术实施例1所制备的锂硫电池在0.1C的循环性能图；图5为本专利技术实施例1所制备的锂硫电池在0.1C的首圈充放电曲线；图6为本专利技术实施例2所制备的锂硫电池的倍率性能图；图7为本专利技术对比例1所制备的FeP与石墨烯复合材料的XRD图谱；图8为本专利技术对比例1所制备的锂硫电池在0.1C的循环性能图；图9为本专利技术对比例2所制备的FeP与石墨烯复合材料的XRD图谱；图10为本专利技术对比例2所制备的锂硫电池在0.1C的循环性能图；具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。实施例1：一种本专利技术的异质结构/石墨烯复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将60mgFeCl3·6H2O溶解于30mL去离子水中，搅拌1小时后，滴入100μL植酸溶液(70wt％)，继续搅拌1小时，得到溶液A；(2)采用的氧化石墨烯购自中科炭美科技(型号KEDF56)，将氧化石墨烯加入水中，超声4小时，配成浓度为2mgmL-1的氧化石墨烯溶液，记为溶液B；(3)取20mL溶液B逐滴加入溶液A中，并搅拌2小时；(4)将步骤(3)混匀后的溶液在反应釜中于180℃下水热反应12h，冷却后，采用去离子水清洗离心出的沉淀，在60℃的鼓风干燥箱中烘干待用；(5)将步骤(4)烘干后的材料置于管式炉中，在H2/Ar＝1:10的气氛下，以5℃min-1的加热速率加热到800℃，热解保温2小时，然后以5℃min-1的降温速度降本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异质结构/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将植酸加入铁盐溶液中搅拌均匀；/n(2)将氧化石墨烯溶液加入步骤(1)后的溶液中，搅拌均匀；/n(3)将步骤(2)后的溶液置于反应釜中进行水热反应，反应完成后洗涤沉淀，干燥；/n(4)将步骤(3)中干燥的产物在还原气氛中进行热处理，冷却，得到异质结构FeP/Fe

【技术特征摘要】
1.一种异质结构/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将植酸加入铁盐溶液中搅拌均匀；
(2)将氧化石墨烯溶液加入步骤(1)后的溶液中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)后的溶液置于反应釜中进行水热反应，反应完成后洗涤沉淀，干燥；
(4)将步骤(3)中干燥的产物在还原气氛中进行热处理，冷却，得到异质结构FeP/Fe2P与石墨烯复合材料。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，植酸与铁盐的摩尔比为1∶1～15。


3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁盐为氯化铁、硝酸铁、乙酸铁、乙酸丙酮铁中的一种或多种；所述铁盐溶液是指铁盐的水溶液。


4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化石墨烯溶液浓度为2～5mgmL-1，所述氧化石墨烯溶液与铁盐的质量比为1∶1～3。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓敏，赵振新，杨哲伟，李慧君，廉杰，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14