一种四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料简单高效制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种简单高效制备四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料方法。以聚丙烯腈、硒粉和乙酰丙酮铁制成前驱体溶液，通过静电纺丝，得到硒粉/乙酰丙酮铁纺丝材料。将纺丝材料放入管式炉中，在氩气的环境下煅烧，得到目标产物四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料。本发明专利技术成本低廉，工艺简单，对设备要求低，可减少资源消耗。该制备方法所制得的复合材料内部有更多的缺陷和空位，有利于提高电子在材料内部的传输速率，在作为负极材料时有良好的循环稳定性。在作为负极材料时有良好的循环稳定性。在作为负极材料时有良好的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料简单高效制备方法和应用


[0001]本专利技术属于钾离子电池纳米材料领域，具体设计一种简单高效的四硒化三铁/碳纳米纤维(CNF)复合材料制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在近十几年，随着产业化的发展，锂离子电池在人们的生产和生活中得到了广泛的应用。但随着锂离子电池的大量使用，锂资源被大量使用，但地球上的锂元素资源有限，且分布不均，这就造成锂电池成本逐渐提高，导致锂离子电池的可持续发展受到挑战。在寻找锂离子电池的替代产品时，钾离子电池逐渐出现在研究者的视野中。
[0003]最近，研究者们已经研究了各种化合物作为钾离子电池的负极材料。其中，过渡金属硒化物被认为是一种有前途的材料，主要是因为与碳基材料相比它拥有更高的理论容量和导电性能。例如，中国专利公开号CN114937775B公开了一种钾离子电池负极材料及其制备方法，借助油相辅助法合成了一种FeWSe类双金属硒化物，该物质兼具插层反应类金属硒化物和转化反应类金属硒化物的优势，具有良好的导电性、结构稳定性以及高的理论容量。中国专利公开号CN114291796A公开了一种钾离子电池负极材料及其制备方法和应用，制备得到的硒化铋纳米带作为钾离子电池的负极，在电池充放电过程中，Se与K离子反应生成了K
‑
Se化合物，从而提供容量表现出良好的电化学性能。
[0004]但以前针对Fe基硒化物，研究者们主要研究FeSe和FeSe2的存储性能，而对Fe3Se4的研究相对较少。经理论计算表明，Fe3Se4也可以作为优秀的储能材料。同时，由于其NiAs型结构，铁空位的有序排列可以为离子嵌入提供有效的活性位点，这也有利于其成为优秀的储能材料。
[0005]在Fe3Se4作为纳米材料的研究过程中，其制备方法为化学合成法，例如Lin等人在惰性气体的保护下用三颈烧瓶进行材料的合成，过程中还需要进行加热和去除杂质。(Lin C
‑
R,Siao Y
‑
J,Lu S
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Z,et al.Magnetic Properties of Iron Selenide Nanocrystals Synthesized by the Thermal Decomposition[J].IEEE Transactions on Magnetics.2009,45(10):4275
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4278.)，Zhang等人也利用溶液化学方法合成了Fe3Se4纳米结构，Ma等人在650℃高温长时间退火合成了Fe3Se4/C纳米棒复合材料。Jing等人采用一步还原高温碳化的方法，将Fe3Se4/FeSe不均匀地嵌入到掺杂N的玉米秸秆碳骨架中，用于生物发电。Mahmood团队制备了铁基金属
‑
有机骨架颗粒，通过静电纺丝将其嵌入碳纤维中得到MOFP/PAN。所得材料在800℃碳化，然后在650℃硒化最后得到Fe3Se4@CFs。上述方法虽然可以合成不同形貌的Fe3Se4，但在合成过程中存在几个不足之处:一是化学合成时会产生副产物，产物需要去除杂质；第二，在合成反应过程中，需要多步高温加热才能保证晶体的形成，工艺复杂。因此，利用高效并且节约资源的方法合成四硒化三铁/碳纳米纤维显得非常重要。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的资源消耗大的不足，本专利技术目的在于提供四硒化三铁/碳纳米纤维的一种简单制备方法，可以高效合成四硒化三铁/碳纳米纤维，同时可以将其应用在钾离子电池的负极材料，具有良好的储能性能。
[0007]本专利技术方法采用如下技术方案是：一种四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料简单高效的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将聚丙烯腈(PAN)、乙酰丙酮铁和硒粉溶于N,N
‑
二甲基甲酰(DMF)中制备出前驱体溶液，其中硒粉的含量为0.1
‑
0.3g；
[0009](2)将(1)中前驱体溶液超声并进行磁力搅拌12
‑
24h；
[0010](3)把(2)中搅拌充分的前驱体溶液转移到注射器中，然后进行静电纺丝；
[0011](4)设置电压为10
‑
12kV和溶液流速0.6
‑
0.7ml/h，利用收集板收集纺丝材料，并将所得材料置于真空干燥箱中干燥12
‑
24h；
[0012](5)干燥后的材料转移至方舟中，将方舟放入管式炉中并在氩气氛围下400
‑
550℃保温5
‑
15h，升温速率为1
‑
10℃min
‑1。
[0013]作为一个完整的专利技术构思，本专利技术还提供了一种将所述四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料在钾离子电池负极材料中的应用。
[0014]本专利技术的技术特点和效果如下：
[0015](1)本专利技术的制备四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料的方法简单，只需要将硒粉和乙酰丙酮铁直接制成前驱体溶液，进行简单的静电纺丝处理，将纺丝后材料在管式炉中进一步煅烧后，即可获得四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料；本专利技术的合成材料成本低廉，工艺简单，资源消耗少。
[0016](2)本专利技术应用在钾离子电池的负极材料中，有良好储钾性能和优良的循环稳定性。将硒粉作为原料直接电纺入碳纤维中，不仅有利于材料的简单合成，且能更好的提高材料的耐用性和倍率性能。
附图说明
[0017]图1是实施例1的SEM形貌图。从图中可以看出，此时的形貌为粗细分布均匀的纳米纤维，表面有少量的颗粒。
[0018]图2是实施例1的XRD图。从图中可明显看出，400℃退火后的材料为四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料。
[0019]图3是对比例1、对比例2和对比例3不同硒粉含量、相同外部硒化温度时得到的复合材料(Fe@CNF
‑
Se
X
‑
400,X＝0.1,0.2,0.3)的XRD图谱；
[0020]图4是对比例1、对比例4和对比例5相同硒粉含量和不同外部硒化温度时得到的复合材料(Fe@CNF
‑
Se
0.1
‑
T,T＝400,500,550)的XRD图谱；
[0021]图5是本专利技术实施例1和对比例1中制作的钾离子负极材料在1Ag
‑1电流密度下的储钾性能图。
具体实施方式
[0022]下面通过实施例来进一步说明本专利技术，但不局限于以下实施例。
[0023]实施例1
[0024](1)将0.1g的硒粉加入8ml的DMF中，并进行超声使其充分混合，得到硒粉溶液；
[0025](2)将0.72g的PAN溶于(1)中硒粉溶液，并进行搅拌使溶液充分混合得到前驱体溶液；
[0026](3)将1mmol的乙酰丙酮铁加入(2)中前驱体溶液中并充分搅拌形成均匀硒粉/乙酰丙酮铁溶液；
[0027](4)将(3)中溶液转入10ml的注射器中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四硒化三铁/碳纳米纤维复合材料简单高效制备方法，包括以下步骤：(1)将聚丙烯腈(PAN)、乙酰丙酮铁和硒粉溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中制备出前驱体溶液，其中硒粉的含量为0.1
‑
0.3g；(2)将(1)中前驱体溶液超声并进行磁力搅拌12
‑
24h；(3)将(2)中搅拌充分的前驱体溶液转移到注射器中，然后进行静电纺丝；(4)设置电压为10
‑
12kV溶液流速0.6
‑
0.7ml/h，利用收集板收集纺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明，陈徐倢，李鹏超，蔡勇，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：