一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法技术

一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法，它属于纳米结构材料合成技术领域。本发明专利技术要解决现有金属磷硫化物与碳复合纳米结构材料储锂性能差的问题。制备方法：一、制备聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体；二、磷硫化反应。本发明专利技术用于碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成。化锡复合纳米结构材料的合成。化锡复合纳米结构材料的合成。

【技术实现步骤摘要】
一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法


[0001]本专利技术属于纳米结构材料合成


技术介绍

[0002]金属磷硫化物是一类新兴的储能与转换材料，在电催化、光催化、锂离子电池、超级电容器等领域具有广泛的应用前景。尤其是作为锂离子电池的负极材料，金属磷硫化物因其同时具有磷硫双阴离子中心，因此不仅涵盖了金属磷化物和硫化物的双重优点，而且其具有比两者更高的理论容量。但是，锂离子的嵌入/脱出过程伴随着剧大的体积变化，而且金属磷硫化物电导率较低，容易导致较差的倍率性能和循环稳定性。合理的碳纳米复合材料的设计通常被认为是提高负极材料储锂性能的有效策略。然而，金属磷硫化物具有复杂的元素组成，其与碳复合纳米结构材料的精致合成与设计仍然非常具有挑战性。
[0003]Tang等人通过封管法制备了FePS3和碳纳米复合材料[Wang,M.；Tang,K.A Facile Synthesis of FePS3@C Nanocomposites and Their Enhanced Performance in Lithium
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Ion Batteries.Dalton Trans.2019,48,3819
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3824]，该复合材料实现了FePS3在碳上的均匀分布，改善了锂离子的存储性能。此外，将少层金属磷硫化物纳米片插入到还原氧化石墨烯中，二维结构能够缓冲应力和体积变化，也实现了更好的储锂能力。尽管这些传统的碳复合方法在一定程度上改善了金属磷硫化物的电化学性能，但金属磷硫化物电极结构在长时间储锂循环后很难保持结构的完整性，并且容量衰减明显。因此，开发新型金属磷硫化物与碳复合纳米结构材料对于进一步提高其电化学性能以及发挥金属磷硫化物储锂的巨大潜力非常重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决现有金属磷硫化物与碳复合纳米结构材料储锂性能差的问题，进而提供一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法。
[0005]一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法，它是按以下步骤进行的：
[0006]一、将K2SnO3·
3H2O和D
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葡萄糖依次加入到蒸馏水中搅拌溶解，得到反应物，在温度为100℃～270℃的条件下，反应物反应1h～20h，反应后洗涤并真空干燥，得到聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体；
[0007]所述的K2SnO3·
3H2O与D
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葡萄糖的质量比为1:(2～10)；
[0008]二、将红磷和硫粉的混合粉末置于管式炉的上游区，将聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体置于管式炉的下游区，在流动的氩气气氛下，对红磷和硫粉的混合粉末进行预加热，得到预加热后的混合粉末，同时对聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体进行预加热，得到还原和碳化的SnO2@PG前驱体，然后调整预加热后的混合粉末温度为250℃～300℃，并在温度为250℃～300℃的条件下，对预加热后的混合粉末继续加热2.5h～3.5h，同时还原和碳化的SnO2@PG
前驱体在温度为550℃～650℃的条件下，继续保温2.5h～3.5h，最后管式炉冷却至室温后，得到碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料；
[0009]所述的红磷与硫粉的质量比为1:(1～10)；所述的红磷与聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体的质量比为(2～20):1。
[0010]本专利技术的有益效果是：
[0011]本专利技术设计合成了一种独特的碳限域介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料。其外部拥有一层薄碳壳，内部的SnPS3呈纤维状形态，并且形成交叉网络，具有很多疏松的介孔，因此形成了碳限域介孔柳絮状的SnPS3纳米结构。该新型纳米结构的设计是基于锡的部分挥发及自下而上磷硫化反应而实现的。具体为在加热条件下利用聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体(SnO2@PG)碳化并原位还原为熔融态Sn，且一部分熔融态Sn挥发散失，导致体内孔隙的形成。剩余部分Sn与上游磷硫蒸汽发生反应生成SnPS3，随着时间的延长初始的SnPS3不断的自下而上生长，最终在外层碳壳的限域下演变为体内具有丰富介孔的柳絮状SnPS3。Sn的部分挥发、熔融Sn自下而上的磷硫化过程及合适的反应温度是构建碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料的关键。
[0012]本专利技术中所用的K2SnO3·
3H2O、D
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葡萄糖、红磷和硫粉非常廉价，并且安全不燃烧。磷硫蒸汽与熔融Sn自下而上反应的温度比传统的封管法反应温度更低，反应时间更短。而且碳壳的限域作用以及内部丰富孔隙能够有效防止SnPS3过快生长和Sn的过分挥发，同时碳壳的存在也极大的阻止了材料之间的相互团聚，从而形成了具有高度分散的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合材料。因此，本专利技术具有原材料成本低、反应时间短、效率高等优势，易于大量生产。
[0013]利用碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料制备电极，储锂首次放电容量高达2036mAh/g。独特的碳限域介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料能提供多元储锂中心(Sn，P和S)，完整的碳壳用于保护内部活性物质，交叉的纤维状网络用于有效的电子传输和大量的内部介孔用于缓冲体积膨胀及提升锂离子扩散速率，因此该碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料表现出优异的储锂性能，拥有超高的储锂容量、优秀的结构稳定性和循环稳定性。
[0014]本专利技术用于一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法。
附图说明
[0015]图1为X射线衍射图，1为实施例一制备的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料，2为标准卡片JCPDS 81
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1450；
[0016]图2为实施例一制备的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料的拉曼光谱图；
[0017]图3为实施例一步骤一制备的聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体的透射电镜图；
[0018]图4为实施例一制备的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料的低倍数透射电镜图；
[0019]图5为实施例一制备的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料的高倍数透射电镜图；
[0020]图6为实施例一制备的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料的N2吸脱附等
温线图，1为脱附曲线，2为吸附曲线；
[0021]图7为实施例一制备的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料的孔径分布图；
[0022]图8为实施例一制备的碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料的储锂性能图，
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为库伦效率，
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为放电容量，为充电容量；
[0023]图9为对比实验一制备的产物XRD图，
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为SnS；
[0024]图10为对比实验二制备的产物透射电镜图。
具体实施方式...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：一、将K2SnO3·
3H2O和D
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葡萄糖依次加入到蒸馏水中搅拌溶解，得到反应物，在温度为100℃～270℃的条件下，反应物反应1h～20h，反应后洗涤并真空干燥，得到聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体；所述的K2SnO3·
3H2O与D
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葡萄糖的质量比为1:(2～10)；二、将红磷和硫粉的混合粉末置于管式炉的上游区，将聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体置于管式炉的下游区，在流动的氩气气氛下，对红磷和硫粉的混合粉末进行预加热，得到预加热后的混合粉末，同时对聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体进行预加热，得到还原和碳化的SnO2@PG前驱体，然后调整预加热后的混合粉末温度为250℃～300℃，并在温度为250℃～300℃的条件下，对预加热后的混合粉末继续加热2.5h～3.5h，同时还原和碳化的SnO2@PG前驱体在温度为550℃～650℃的条件下，继续保温2.5h～3.5h，最后管式炉冷却至室温后，得到碳限域的介孔柳絮状SnPS3复合纳米结构材料；所述的红磷与硫粉的质量比为1:(1～10)；所述的红磷与聚葡萄糖包覆的SnO2前驱体的质量比为(2～20):1。2.根据权利要求1所述的一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化锡复合纳米结构材料的合成方法，其特征在于步骤一中在具有Teflon内衬的不锈钢反应釜中及温度为100℃～270℃的条件下，反应物反应1h～20h。3.根据权利要求1所述的一种碳限域的介孔柳絮状磷硫化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志亮，孔祥龙，李高福，杨飘萍，赵颖，王庭禹，丁鹤，贺飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：