一种Si-O-C三维交联结构纳米环、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种Si‑O‑C三维交联纳米环材料、制备方法及其应用。所得到的纳米环直径在100‑500纳米，壁厚为20‑100纳米，比表面积在300‑800m

【技术实现步骤摘要】
一种Si-O-C三维交联结构纳米环、制备方法及其应用
本专利技术涉及纳米材料和制备领域，特别涉及一种Si-O-C三维交联结构纳米环、制备方法及其应用。
技术介绍
硅基(Si-C、Si-O-C)复合材料不仅具备了硅材料的环境友好，储量丰富等特点，同时兼具了炭材料的物理化学性质稳定，导电性优异等优势，在分离、吸附、催化、电化学储能与转化等领域展现出了巨大的应用潜力。材料的性能往往取决于材料的结构和组成，其中结构因素对纳米材料来说尤为重要。目前，已有大量的报道着眼于硅基复合材料的结构设计，例如：通过溶剂热法、熔盐辅助电解等方法合成得到Si/C纳米线，纳米球，纳米管及其各种三维组装体等纳米材料。但是，环状纳米Si-O-C三维交联结构迄今为止还鲜有报道。环状纳米结构介于一维和二维材料之间，由于其独特的结构，内外表面可以同时利用，比表面积较大，有望赋予材料卓越性能。目前，通过物理刻蚀技术及化学法制备得到了一系列的环状材料，包括四氧化三铁、氧化锌和二氧化硅等。其中，物理刻蚀技术制备纳米环状材料主要包括：模板制备，对模板进行填充以及除去模板三个过程[JournaloftheAmericanChemicalSociety,2004,126,35,10830-10831；AngewandteChemieInternationalEdition,2004,114,39,5350-5354]；化学法制备纳米环状材料主要利用材料的物理化学性质如两相界面[AdvancedFunctionalMaterials,2008,18,24,4036-4042],原子的扩散[JournaloftheAmericanChemicalSociety,2008,130,50,16968-16977]等来制备环状纳米结构。但是无论采用物理刻蚀技术还是最普遍采用制备纳米环状材料的溶剂热的方法，均存在着制备工艺复杂。难以大量生产，同时所得到的纳米环常为单分散的无法形成三维交联的结构。
技术实现思路
针对现有技术的上述问题，本专利技术的目的是提供一种Si-O-C三维交联结构纳米环及其制备方法和应用，所述Si-O-C纳米环的特点及制备方法如下：本专利技术所得到的Si-O-C纳米环的外径在100-500纳米，壁厚在20-100纳米，比表面积在300-800m2/g，纳米环相互交联形成三维网络结构。所述Si-O-C三维交联结构纳米环的制备方法，其步骤为：(1)将原料、还原剂和氯化盐按一定的比例在惰性气氛条件下装入高温高压反应釜内，200-500℃下充分反应，利用盐酸稀溶液除去反应副产物，得到预产物；(2)取步骤(1)中所得到的预产物在惰性气氛下于管式炉中加热至500-900℃，保温2-6h，即可得到Si-O-C三维交联结构纳米环复合材料。所述的原料为八苯基倍半硅氧烷、十二苯基倍半硅氧烷、梯形苯基倍半硅氧烷，甲基硅油和苯基三甲氧基硅烷，苯基三氯硅烷中的一种。所述的还原剂为金属铝粉和金属镁粉中的一种。所述的氯化盐为三氯化铝，氯化锌，三氯化铁，氯化钠，氯化钙等其中的一种或多种。另外，本专利技术还提供了Si-O-C三维交联纳米环作为锂离子电池负极材料及吸附材料等领域的应用。利用熔盐低温辅助还原的方法，可以有效的控制金属热还原反应的速度以控制最终产物的形貌特点。Si-O-C三维交联纳米环在熔盐还原过程中的形成过程为：(1)在低温条件下，金属镁或铝的还原反应活性下降，降低其对二氧化硅等硅氧化合物的还原速度，使得初始原料倍半硅氧烷内部逐渐形成空腔；(2)随着还原反应的进行，内部空腔逐步增大并发生了破裂，在表面力作用下逐渐收缩成环使得体系表面能最小；(3)随着还原时间的增长和炭化温度的上升，环状结构的直径和壁厚明显增大。利用这种低温熔盐辅助还原方法制备得到的Si-O-C三维交联纳米环复合材料可以作为锂离子电池的负极材料、功能陶瓷材料和吸附材料等使用。环状结构的Si-O-C在循环过程中的体积效应主要发生在径向方向上，这种独特的环状结构可以有效缓解由于体积效应引起的应力等问题以抑制因为应力导致的材料破碎粉化的问题，提升材料的循环稳定性。无定形碳的包覆结构可以进一步缓解SiOx的体积膨胀，同时可以提高材料的导电性以提升材料循环稳定性和倍率性能。经测试发现，作为锂离子电池负极材料使用时，Si-O-C三维交联纳米环复合材料在200mA/g电流密度下的质量比容量为1400mAh/g，并且在循环100圈后仍保持有1000mAh/g的比容量，展现出良好的循环稳定性。同时作为吸附材料使用其表现出优异的吸附效果。因此，本专利技术还提供了此方法制备的Si-O-C三维交联纳米环复合材料作为锂离子电池负极材料及吸附材料等的应用。本专利技术利用低温熔盐辅助还原的方法，制备一种具有Si-O-C三维交联纳米环的复合材料。制备过程工艺流程简单，制备得到的材料性能稳定。附图说明附图1为S1的扫描电镜图。附图2为S1的充放电曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1将十二苯基倍半硅氧烷、铝粉和三氯化铝按照1：1：10的比例在惰性气氛中装入高温高压反应釜，300℃保温30h，取出后利用盐酸稀溶液除去副产物，得到预产物。将预产物在惰性气氛中800℃保温2h得到产物S1。吸附测试结果表明：S1在亚甲基蓝溶液中表现出了优异的吸附效果，经过10h后吸附达到平衡，最大吸附量为235mg/g。如附图1的扫描电镜图所示，所得到的产物S1为环状SiOx/C复合材料相互交联形成的三维结构，其中SiOx/C纳米环的直径为～150纳米，壁厚为～50纳米。如附图2锂离子电池的电化学测试结构表明，产物S1在0.2A/g电流密度下，S1的质量比容量为1900.1mAh/g,循环50圈后仍保持有1003.7mAh/g的比容量，容量保持率大于52％。实施例2将八苯基倍半硅氧烷、铝粉和三氯化铁按照1：1：10的比例在惰性气氛中装入高温高压反应釜，450℃保温30h，取出后利用盐酸稀溶液除去副产物，得到预产物。将预产物在惰性气氛中800℃保温2h得到产物S2。测得S2的直径为～300纳米，壁厚～90纳米。在0.2A/g电流密度下，S2的质量比容量为1830.5mAh/g,循环50圈后仍保持有1050.8mAh/g的比容量。实施例3将甲基硅油、铝粉和三氯化铝按照1：1：10的比例在惰性气氛中装入高温高压反应釜，350℃保温15h，取出后利用盐酸稀溶液除去副产物，得到预产物。将预产物在惰性气氛中800℃保温2h得到产物S3。测得S3的直径为～100纳米，壁厚～30纳米。在0.2A/g电流密度下，S3的质量比容量为1833.6mAh/g,循环50圈后仍保持有996.8mAh/g的比容量。实施例4将苯基三甲氧基硅烷、铝粉、三氯化铝和氯化钠按照1：1：5：5的比例在惰性气氛中装入高温高压反应釜，400℃保温20h，取出后利用盐酸稀溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SiOx/C纳米环，其特征在于：直径在100-500纳米，壁厚在20-100纳米，比表面积在300-800m

【技术特征摘要】
1.一种SiOx/C纳米环，其特征在于：直径在100-500纳米，壁厚在20-100纳米，比表面积在300-800m2/g之间，环相互交联形成三维网络结构。


2.一种如权利要求1所述Si-O-C三维交联结构纳米环、制备方法及其应用，其特征在于按下列方法制的：
步骤一：将原料、还原剂和氯化盐按照一定比例混合均匀后，在惰性气氛条件下装入高温高压反应釜中，200～450℃下充分反应，利用盐酸溶液除去副产物，得到预产物；
步骤二：取步骤一中的所得的预产物，放入高温碳化炉中，惰性气氛下加热至500～900℃，保温3～6小时，即可得到Si-O-C三维交联结构纳米环。


3.一种如...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋怀河，林谢吉，李昂，陈晓红，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11