CN105618778A - 一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，包括以下步骤：将氯化亚铜溶于油胺中并搅拌均匀，得到混合溶液；将混合溶液移入不锈钢反应釜中，然后置于烘箱中，将温度迅速升至水热反应温度，静置反应；反应完成后，将反应釜从烘箱中取出，并冷却至室温，将反应釜中的产物取出并洗涤后，得到纯铜纳米线；将纯铜纳米线置于充满潮湿空气的密闭反应容器内，在恒温环境中氧化，得到内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维；将内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维置于常压等离子设备中，进行氢气等离子表面还原处理，即得到最终产品。本发明方法温和简单，原料成本低，生产效率高(耗时短)，产品形貌易于调控。

Description

一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种拥有高能量密度，适于大倍率快速充放电的，内部包覆有氧化铜纳米颗粒的镂空铜纳米管的制备方法。
背景技术
纳米颗粒、纳米线以及其他形貌的纳米晶体为基本单元组装的功能型纳米结构，在锂离子电池研究领域展现出强大的革新潜力，因为它们与宏观材料相比拥有以下几个显著不同的特征：
(1)极小的锂离子脱嵌距离；
(2)能够有效缓解电化学循环过程中应力变化的自由空间；
(3)丰富的比表面积可提升与电解液的接触位面。
近年来，研究人员一直致力于通过纳米结构形貌、尺寸、成分的控制开发具有高能量密度、可以实现大倍率快速充放电的储能材料，以满足便携式电子产品与电动汽车对高效能锂电池日益增长的需求。但是实现起来，依然存在着科学与技术上的挑战。首先是纳米材料与生俱来的高表面能，使它们容易发生团聚现象，导致比表面和结构中自由空间的骤减，从而无法缓解充放电循环过程中的体积变化造成结构坍塌乃至容量衰减。其次是无法形成稳定的固态电解质界面，循环过程中锂离子持续的脱出嵌入造成体积不断收缩膨胀，无法形成稳定的电解质膜，最终大大降低了库伦效率和储能容量。最后则是这些功能材料的合成必须简便、廉价、无毒、易于扩大生产，才能有潜质在未来替换目前的商用电极材料。
饱含自由空间且可以进行功能调配的层级纳米结构的发展，为应对上述挑战带来了机遇，到目前为止，主要有以下两种策略：第一是构筑拥有巨大比表面积的复杂三维纳米结构，减轻电化学循环过程中的体积变化，保证材料与电解液有足够的接触位面。例如空心纳米颗粒、纳米管等多孔结构，它们渗透性的壳层、内部空腔以及成倍增加的表面积，都促进了准静态固态电解质膜的形成。但是目前的研究并没有成功解决这些多孔材料结构内部电子传输效率的问题，内电阻过大导致这些材料大倍率充放电容量远不能满足实际需要。第二是通过容量活性物质与高电传导性物质进行整合，利用它们的协同效应来提高结构内部电传输速率和机械稳定性。例如超支异质结构，核壳纳米纤维以及碳基纳米复合材料等。但是，这一策略面临的最大问题是合成工艺复杂、能耗高、原料成本贵，无法进行大规模生产。可见，迄今为止，大部分的研究只能解决某一部分问题，而鲜有报道能够同时解决所有问题。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，包括以下步骤：
a将氯化亚铜溶于油胺中并搅拌均匀，得到混合溶液；
b将步骤a得到的混合溶液移入不锈钢反应釜中，然后置于烘箱中，将温度迅速升至水热反应温度，静置反应；
c反应完成后，将反应釜从烘箱中取出，并冷却至室温，将反应釜中的产物取出并洗涤后，得到纯铜纳米线；
d将步骤c得到的纯铜纳米线置于充满潮湿空气的密闭反应容器内，在恒温环境中氧化，得到内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维；
e将步骤d得到的内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维置于常压等离子设备中，进行氢气等离子表面还原处理，即得到最终产品。
步骤a中：氯化亚铜与油胺的质量比优选为0.03～0.05。搅拌时间优选大于1.5小时。
步骤b中：水热反应温度优选为200摄氏度，水热反应时间优选为3～5小时。
步骤c中：洗涤过程是用正己烷和无水乙醇分别各洗涤三次。
步骤d中：氧化温度优选为60～80摄氏度；氧化湿度优选为70％～75％；氧化时间优选为4～5小时。为了精确掌握加热时间，加热过程应避免程序升温、降温过程。反应结束后得到内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维。
步骤e中：等离子设备中电热板加热温度为250摄氏度；表面还原处理为3～5分钟。
本发明所述反应过程中搅拌可采用磁力搅拌和机械搅拌(不含磁子)；洗涤富集步骤可使用高速离心设备。
本发明的有益技术效果是：
本发明提出的内嵌CuO纳米颗粒的超长Cu纳米管制备方法温和简单，原料成本低，生产效率高(耗时短)，工艺中涉及的水热合成、氧化和表面处理等过程温度低，能耗小，产品形貌易于调控，同时可大规模生产，有助于产品从实验室制备向工业应用的转化。在实验室制备过程中可通过调节水热反应温度、时间来调控纳米纤维的长度和直径。在实际生产过程中，可根据具体情况按比例放大生产。
本发明生产的异质镂空纳米纤维产率高于96％，尺寸均匀，长径比大，不易团聚，产物重现性良好。利用该产品组装的锂离子电池电极内阻小，在100mA/g电流密度下最高可逆工作容量为607mAh/g，接近氧化铜理论容量，是传统石墨烯材料的1.6倍；同时循环稳定性卓越，200次充放电循环测试后的容量依然能够可持94％的初始容量；在大倍率充放电情况下(电流密度15A/g)可实现快速充放电，容量水平达到170mAh/g水平，循环稳定性优良。
本发明制得的内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管形貌规整，直径尺寸限制在50±12纳米范围内，长度大于5微米，表面光滑，产品纯度满足96％以上。纳米纤维具有连续的管状外壁，内部富含大量纳米颗粒和自由空间，并且颗粒与管壁之间具有明显异质界面。本发明制备的层级异质镂空纤维结构具有广泛的用途，可作为新型储能材料和微型传感器材料等。
本发明通过基于柯肯达尔效应的热氧化和氢气等离子表面还原手段，对水热合成制备出的超长铜纳米线进行处理，制备了一种具有高能量密度，可实现大倍率充放电的超长镂空纳米纤维材料。本发明所得到的纳米纤维外壳为高导电纯铜纳米壳层，内部含有大量氧化铜纳米颗粒和自由空间。氧化铜材料价格低廉，本身由于其较高的理论电容量(674mAh/g)在近年来常被用作锂离子电池的负极材料。因此，该材料在锂离子电池，超级电容等电化学储能领域具有广阔的应用前景和商业价值。
附图说明
图1为本发明合成的内嵌CuO纳米颗粒的超长Cu纳米管网络SEM照片；
图2为单根内嵌CuO纳米颗粒的超长Cu纳米管SEM照片；
图3为产品内部构造TEM表征；
图4为产品高倍TEM晶体结构分析；
图5为产品XRD谱图分析；
图6为镂空纤维内部不同区域EDS元素能谱分析。
具体实施方式
针对现有锂离子电池的电极材料能量密度低、容量小、充放电循环稳定性差以及大电流密度下的充放电性能不佳等缺陷，本发明提供了一种温和、快捷、简单且易于扩大生产的制备方法，以制取大容量、导电性优良(内阻小)、循环稳定性高的内部包覆有氧化铜纳米颗粒的镂空铜纳米管材料。
本发明的目的一方面是为获得一种高能量密度，可在大电流密度下进行快速充放电的锂电池电极材料，另一方面是为解决层级异质纳米结构制备方法合成方法复杂、成本高、能耗大，不易扩大生产的工艺问题，提出一种利用水热合成与后续氧化和等离子表面还原联立的温和高效工艺手段，生产高储能密度、具有优良电化学性能的内嵌CuO纳米颗粒超长Cu纳米管制备方法。
采用本发明制备方法得到的镂空纳米纤维长度超过40微米，直径在50纳米左右，长径比大于900。相对于传统电极材料，该层级异质结构包含多重优势：(1)一维纳米纤维外部连续铜壳层为电子在交织网络结构中的快速传递提供了通道；(2)超长纳米纤维的高长径比降低了自团聚现象的发生；(3)镂空纤维内部丰富的自由空间可极大地缓冲锂离子脱嵌过程中氧化铜纳米颗粒的体积变化，同时，闭合的纳米管内区域为固态电解质膜的形成创造了条件。
本发明提出的内嵌氧化铜纳米颗粒超长铜纳米管制备方法，首先以一价铜盐为前驱物，油胺为反应溶剂，通过水热反应制取超长铜纳米线；然后通过热氧化方法获得包覆氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纤维；最后采用氢气等离子表面还原得到内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管结构。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
a将0.2克氯化亚铜溶于8毫升油胺中，搅拌1.5小时使之混合均匀。
b接着，将上述均匀混合溶液移入50毫升不锈钢反应釜中，置于常压烘箱，并将温度迅速升至200摄氏度，静置3小时。
c反应完成后，溶液颜色由黄色变成红色。此时将反应釜从烘箱中取出，冷水冲淋快速冷却至室温(25摄氏度)，产品用正己烷和无水乙醇分别各洗涤三次，得到纯铜纳米线产品。
d将上述产品置于充满75％湿度空气的密闭反应容器内，在60摄氏度恒温箱中氧化4小时。反应结束后得到内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维。
e氧化处理后的产品置于250摄氏度等离子机台电热板上，在标准大气压下进行氢气等离子表面还原处理，持续时间为4分钟，即得到最终产品。
图1为本发明合成的内嵌CuO纳米颗粒的超长Cu纳米管网络SEM照片。扫描电子显微镜(SEM)表征显示纳米纤维产品分散在样品台上形成网状结构，没有出现自团聚现象。产品尺寸均匀，长度超过40微米，在观测范围内无明显杂质和其他形貌的晶体结构，证明产品纯度很高。
图2为单根内嵌CuO纳米颗粒的超长Cu纳米管SEM照片。高倍SEM对单根纳米纤维的测量结果表明纳米纤维直径为60纳米，表面光滑无明显缺陷。
图3为产品内部构造TEM表征。透射电子显微镜(TEM)分析显示纳米纤维内部含有大量附着在管壁上的纳米颗粒，颗粒之间存在着丰富的自由空间。
图4为产品高倍TEM晶体结构分析。高倍TEM进一步显示内部纳米颗粒晶格条纹间距为0.23纳米和0.27纳米，分别与氧化铜(111)和(110)位面相吻合；而外壁上的晶格条纹间距为0.13和0.18纳米，分别对应于铜(220)和(002)位面。
图5为产品XRD谱图分析。X射线衍射(XRD)表征谱图表明产品物相组成主要为铜和氧化铜，谱峰位置与已知铜、氧化铜标准卡片一致，证实了本发明制备的纳米纤维主要由铜与氧化铜两种异质组分构成。
图6为镂空纤维内部不同区域EDS元素能谱分析。X射线能量散射谱(EDS)显示纳米纤维内部的纳米颗粒同时存在较强的铜/氧信号峰，说明其组成元素为铜和氧，元素能谱点扫描表明铜氧元素比约为1:1；而纳米纤维管壁内部只有较强的铜信号峰，氧元素的信号基本可以忽略，说明其组成主要为铜元素。EDS结果进一步证明本发明制备的纳米纤维由氧化铜纳米颗粒和纯铜管壁构筑而成。
实施例2
a称取2克氯化亚铜溶于80毫升油胺中，搅拌2小时使之混合均匀。
b将上述均匀混合溶液移入500毫升不锈钢反应釜中，置于200摄氏度烘箱中静置4小时。
c反应完成后，将反应釜从烘箱中取出，冷水冲淋10分钟使之快速冷却，釜内沉淀产物用正己烷和无水乙醇分别各洗涤三次，得到纯铜纳米线产品。
d将上述洗涤富集好的产品置于可调节温度与湿度的管式加热炉内，按照15摄氏度/分钟快速升温至60摄氏度，并持续通入湿度为75％的湿润空气，湿气流速为30sccm，陈化5小时后得到内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维。
e氧化处理后的产品平铺在250摄氏度等离子机台电热板上，在标准大气压进行氢气等离子表面还原处理，持续时间为5分钟，即得到最终产品。
XRD分析结果显示产物为铜/氧化铜异质组分构成。
典型SEM，TEM结果与实施例1中图1，图2，图3等结果类似，证明按比例放大后重现性良好。
对内嵌CuO纳米颗粒的超长Cu纳米管的电化学储能性能进行测试，具体如下：
(1)将实施例1中所得镂空纳米纤维样品(电池活性物质)、乙炔炭黑和聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1在玛瑙研钵中研磨混合，随后加入一定量的1-甲基-2-吡咯烷酮分散均匀。
(2)将混合好的浆料用刀刮法涂覆在平整的铜箔上，放入100摄氏度烘箱干燥12小时，使其中的分散剂完全挥发。
(3)干燥后的电极片经电动轴压后采用冲头制成直径约为14mm的圆形薄片，称重后转移至氩气手套箱内进行CR2032纽扣电池组装。
(4)在电池负极凹槽内放入电极片，活性物质涂覆面朝上，滴加2-3滴六氟磷酸锂(LiPF6)电解质溶液后盖上两层隔膜纸，再加入2滴电解液，随后将锂片置于隔膜之上，滴加电解液后继续叠加不锈钢片和弹性金属圆环，扣上正极壳经液压器压实后装入样品袋取出手套箱，静置10小时，得到电池样品#1。
(5)按照(1)-(4)步骤制备平行样品#2。
(6)电池的循环伏安和交流阻抗性能在PARSTAT4000电化学工作站平台上完成，工作电位为0.01～3V，扫速为2mV/s。电池在不同电流密度下的倍率性能和循环性能测试则在LAND多通道电池测试系统中完成，电压范围在0～3V。
最佳测试条件下本发明所得内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管组装电池在不同充放电倍率下性能如表1所示。
表1
根据表1测试结果，可以发现内嵌CuO纳米颗粒的超长Cu纳米管组装电池#1在100mA/g电流密度下可维持在500mAh/g以上的容量，长期循环稳定性优良。电池#2倍率性能测试结果表明，当恒电流密度由100mA/g逐渐增加到200mA/g，500mA/g，1A/g，2A/g，5A/g，10A/g直至15A/g时，电池容量相应的分别衰减到100mA/g电流密度下放电比容量的91％，88％，82％，65％，57％，48％和30％。当电池完成不同倍率下充放电循环后(尤其是15A/g超大电流密度下)，电池在100mA/g小电流密度下的15次循环后稳定可逆容量依然可以恢复到初始可逆容量的104％(约为602mAh/g)。证明本发明所制备材料具有较高的储能容量，优越的循环稳定性，并可满足大倍率快速充放电需求。

Claims (7)

1.一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a将氯化亚铜溶于油胺中并搅拌均匀，得到混合溶液；
b将步骤a得到的混合溶液移入不锈钢反应釜中，然后置于烘箱中，将温度迅速升至水热反应温度，静置反应；
c反应完成后，将反应釜从烘箱中取出，并冷却至室温，将反应釜中的产物取出并洗涤后，得到纯铜纳米线；
d将步骤c得到的纯铜纳米线置于充满潮湿空气的密闭反应容器内，在恒温环境中氧化，得到内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维；
e将步骤d得到的内嵌氧化铜纳米颗粒的氧化铜镂空纳米纤维置于常压等离子设备中，进行氢气等离子表面还原处理，即得到最终产品。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，其特征在于，步骤a中：氯化亚铜与油胺的质量比为0.03～0.05。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，其特征在于，步骤a中：搅拌时间大于1.5小时。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，其特征在于，步骤b中：水热反应温度为200摄氏度，水热反应时间为3～5小时。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，其特征在于，步骤c中：洗涤过程是用正己烷和无水乙醇分别各洗涤三次。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，其特征在于，步骤d中：氧化温度为60～80摄氏度；氧化湿度为70％～75％；氧化时间为4～5小时。
7.根据权利要求1所述的一种内嵌氧化铜纳米颗粒的铜纳米管的制备方法，其特征在于，步骤e中：等离子设备中电热板加热温度为250摄氏度；表面还原处理为3～5分钟。
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