一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N-HCFs材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N

【技术实现步骤摘要】
一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于钠离子电池储能材料
，具体涉及一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料及其制备方法与应用

技术介绍

[0002]漫天飞舞的柳絮不仅容易引起呼吸道疾病，污染水源，阻塞下水道，而且易引发火灾。如何科学有效地处理柳絮使其变废为宝是众多科研人员关注的焦点。研究发现柳絮纤维不仅直径小，中空度高，还富含多种官能团，可以吸附多种金属离子，通过热解碳化活化处理的中空柳絮纤维(Hollow Catkin Fibers，HCFs)被应用在吸附催化等领域。
[0003]近年来，由于锂资源的短缺导致锂电池的制造成本骤增，越来越多研究人员把目标转向储量更丰富的钠离子电池，但钠离子电池在实际应用中还存在诸多问题，如循环使用中容量快速衰减，库伦效率低等缺陷。为克服上述缺陷，研究人员发现，中空多孔结构不仅能有效缓解充放电过程中导致的体积膨胀，还可以使电解液充分润湿活性物质，加速钠离子的嵌入与脱出，从而提高钠离子电池电化学性能。
[0004]在这种背景下，各种合金型材料(如P、Si、Sb、Sn和Bi)被研究。其中双基合金材料(Sn和Bi)由于具有更高的容量、合适的低电位和储量丰富等诸多优点而被广泛研究，但双基合金类材料仍无法避免在充放电过程中产生巨大的体积膨胀，导致电极粉碎和断裂，从而降低了循环稳定性，限制钠离子电池的发展。

技术实现思路

[0005]为了达到上述目的，本专利技术公开了一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料及其制备方法与应用，解决现有双基合金类材料在充放电过程中易产生体积膨胀、循环稳定性差的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术公开了一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料的制备方法，步骤如下：
[0008]1)称取铋源和锡源溶于乙醇和乙二醇组成的溶液中，得到混合溶液；然后将柳絮纤维浸渍在所述混合溶液中；
[0009]2)将步骤1)浸渍之后的柳絮纤维烘干，N2气氛下碳化，获得自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料复合材料。
[0010]优选地，步骤1)中，所述铋源为Bi(NO3)3·
5H2O，所述锡源为SnCl4·
5H2O。
[0011]优选地，乙醇与乙二醇的体积比为(1～4):1。
[0012]优选地，步骤1)之前，对柳絮纤维进行清洗并干燥。
[0013]优选地，步骤1)中，铋源和锡源的摩尔比为1:(1～2)。
[0014]优选地，步骤1)中，浸渍的时间为12～24h。
[0015]优选地，步骤2)中，烘干的条件为：在60～100℃条件下干燥12～24h。
[0016]优选地，步骤2)中，碳化的条件为：在N2气氛下，以2～5℃/min的速率，加热到500～900℃。
[0017]本专利技术还公开了上述制备方法制得的自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料。
[0018]本专利技术还公开了上述自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料在制备钠离子电池中的应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术提供的一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs复合材料的制备方法，以柳絮纤维为基底，通过将其浸渍在Bi源与Sn源组成的混合溶液中，煅烧得到Bi/SnO2@N
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HCFs复合材料。在该方法中，使用柳絮纤维生物质为碳源，来源广泛，不仅达到废弃物资源化利用的目的，环保安全，而且通过活化后形成的中空碳纤维结构能够有效促进电解液与活性物质的接触面积，缓解钠离子在充放电过程中导致的体积膨胀，加速充放电过程中的化学反应，提升钠离子电池的循环稳定性，符合绿色可持续发展战略，具有良好应用前景。浸渍煅烧的工艺不仅能极大地使Bi和SnO2纳米化，缓解材料在充放电过程中产生的体积膨胀，而且通过柳絮纤维的负载，使Bi和SnO2分布均匀，防止团聚，能够加速钠离子传输效率，进一步提高活性物质与电解液的电化学反应速率。利用碳化后柳絮碳纤维的中空多孔结构和优异的导电性来缓解SnO2的体积膨胀与电导率，同时Bi元素的掺杂能有效提高钠离子电池比容量，从而提升钠离子电池电化学性能。通过该方法得到的自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料，自立式结构省去了传统涂膜工艺，不仅为大规模制备开创有利条件，利用碳化后柳絮碳纤维的中空多孔结构和优异的导电性来缓解SnO2的体积膨胀与电导率，同时Bi元素的掺杂能有效提高钠离子电池比容量，从而提升钠离子电池电化学性能。
附图说明
[0021]图1为柳絮纤维进行加热碳化处理前后的体积变化示意图；其中，a为加热碳化处理前，b为加热碳化处理后；
[0022]图2为N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs复合材料的XRD和自立式电极片的图；其中，a为XRD图，b为可直接用作钠离子电池负极材料的经裁剪的自立式电极片；
[0023]图3为N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs复合材料复合材料在不同尺度下的SEM图；其中，a为5μm，b为3μm；
[0024]图4为N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs复合材料元素分布图；其中，a为EDS面扫原始图，b、c、d、e和f分别为Bi、O、C、N和Sn元素；
[0025]图5为N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs复合材料1A/g的电流密度下的电化学性能图。
具体实施方式
[0026]为使本领域技术人员可了解本专利技术的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术
流速50sccm，加热到600℃，碳化2h，随炉冷却至室温，获得自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs复合材料。
[0038]参见图1，柳絮纤维经过高温碳化后，体积发生收缩现象，这主要是由于部分有机物和水分经高温发生挥发现象导致。
[0039]参见图2中a，衍射峰尖锐无杂峰，表明此样品具有较好的结晶度和纯度。
[0040]参见图2中b，经裁剪的自立式电极片可直接用作钠离子电池负极材料。
[0041]参见图3的复合材料的SEM图像，可清晰观察到柳絮纤维的中空管状结构。
[0042]参见图4的复合材料元素分布图，可以看到各元素均匀分布在柳絮纤维表面。
[0043]将制备的自立式N掺杂中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：1)称取铋源和锡源溶于乙醇和乙二醇组成的溶液中，得到混合溶液；然后将柳絮纤维浸渍在所述混合溶液中；2)将步骤1)浸渍之后的柳絮纤维烘干，N2气氛下碳化，获得自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料复合材料。2.根据权利要求1所述的一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述铋源为Bi(NO3)3·
5H2O，所述锡源为SnCl4·
5H2O。3.根据权利要求1所述的一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料的制备方法，其特征在于，乙醇与乙二醇的体积比为(1～4):1。4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种自立式N掺杂中空生物质碳Bi/SnO2@N
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HCFs材料的制备方法，其特征在于，步骤1)之前，对柳絮纤维进行清洗并干燥。5.根据权利要求1～3任意一项所述的一种自立式N掺杂中空生物质碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨艳玲，魏胜利，锁国权，侯小江，叶晓慧，张荔，谢德安，和茹梅，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：