CN106757527B - 一种SnO2/C复合微米花的制备方法及所得产品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了SnO2/C复合微米花的制备方法及所得产品，步骤包括：将锡盐、碳酸氢铵、月桂酸、PVP加入到乙醇和DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液，通过静电纺丝形成前驱体纤维；所得前驱体纤维在密闭缺氧条件下进行高温煅烧，得到产品。本发明通过静电纺丝法和改进的高温煅烧过程控制微纳米颗粒的成核、长大及自组装过程，合成了由SnO2/C微纳米棒组装而成的SnO2/C复合微米花。本发明所用原料均为常见试剂，静电纺丝过程简单易操作，重复性好，所得SnO2/C复合材料在超级电容器、锂电池等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种SnO2/C复合微米花的制备方法及所得产品
技术领域
本发明涉及一种SnO2/C复合微米花的制备方法，具体涉及一种由SnO2/C微纳米棒组装而成的尺寸可调的SnO2/C复合微米花的制备方法及所得产品。
背景技术
近年来，氧化物半导体材料在能源、光电、传感等领域显示出巨大的应用价值，引起了人们的广泛关注。通过调控这些氧化物的微观结构（如尺寸、晶体暴露面、晶格缺陷、晶相组成、自组装结构等）能够获得独特的物理化学性质，已大范围应用在化学、磁学、机械、光学、电学等器件中。
SnO2是一类典型的宽禁带（3.6 eV）半导体材料，具有四方金红石相结构，对许多还原性和氧化性气体的检测具有高度可逆性和灵敏性，常被认为是一种高效的气体传感器材料。实际上，SnO2微纳米材料的尺寸、成分和形貌可控，具有复杂的微观结构，利用水热法、静电纺丝法、蒸发诱导自组装法、定向聚合法、快速氧化法等能够成功制备SnO2纳米纤维、中空微米花、纳米带、微纳米环、纳米棒、螺旋线等多种形貌，在电致变色窗口、锂电池电极、染料敏化太阳能电池、超级电容器、催化剂载体等方面具有潜在应用，特别是能源器件的迅猛发展迫切需要具有导电性高、充放电循环性好、能量密度大的电容器材料，推动了SnO2基微纳米材料在电化学方面的理论与技术创新。碳材料是一种高导电性的活性材料，在SnO2微纳米材料中引入一定比例的碳材料，能够有效提高电学、电催化及电化学性能，受到了国内外学者的青睐。SnO2/C复合微纳米材料的合成技术与性能研究陆续被报道，如“Q.Yang, J. C. Zhao, T. Sun, and J. Y. Yu, Ceram. Int., 2015, 41, 11213-11220”以辛酸亚锡和聚丙烯腈为原料，采用静电纺丝法在氩气保护的热处理条件下得到了不同直径的SnO2/C复合纤维，对其电化学性质进行了系统研究。
迄今为止，利用静电纺丝法制备SnO2/C复合微纳米材料大都需要惰性气体的保护，产物形貌多以一维微纳米结构为主，团聚现象明显，分散性差，电化学性质尚存在很大的提升空间。而静电纺丝过程对反应体系、纺丝参数、热处理方式等十分敏感，产物形貌差异性大，可控性强。目前，还未发现采用静电纺丝法制备SnO2/C复合微米花的报道，其合成过程受控因素多，技术路线难以把握。
发明内容
本发明针对现有方法存在的不足，提供了一种SnO2/C复合微米花的制备方法，该方法工艺简单、可控性好、原料来源广泛、实用性强，所得产品由SnO2/C微纳米棒组装而成，微观结构尺寸可调。
本发明还提供了采用上述方法得到的SnO2/C复合微米花产品，该产品具有微米尺度的球状自组装形貌，且微米花是由不同尺寸的SnO2/C微纳米棒组装而成，为静电纺丝法制备SnO2/C复合材料提供了新的形貌。
本发明是在国家自然科学基金青年科学基金项目（项目批准号：51402123）和国家级大学生创新创业训练计划项目（项目批准号：201510427002、201610427017）的资助下予以完成的，其具体技术方案如下：
一种SnO2/C复合微米花的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）将锡盐、NH4HCO3、月桂酸、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入到乙醇和二甲基甲酰胺（DMF）的混合溶剂中，搅拌得透明溶液；
（2）将步骤（1）的透明溶液通过静电纺丝形成前驱体纤维，然后将前驱体纤维在密闭缺氧条件下进行高温煅烧，得到SnO2/C复合微米花。
上述步骤（1）中，所述锡盐为锡的卤化物，例如氯化锡。
上述步骤（1）中，锡盐、NH4HCO3、月桂酸和PVP的摩尔比为1：0.5-0.8：0.3-0.5：5-8，其中PVP的摩尔量按其聚合单体的摩尔量计。
上述步骤（1）中，乙醇和DMF的体积比为1：3.5-5。
上述步骤（1）中，锡盐在乙醇和DMF的混合溶剂中的浓度为0.15-0.35 mol/L。
上述步骤（2）中，静电纺丝时，正电压为15-22 KV，负电压为0.5 KV，接收距离为13-18 cm，注射器推进速度为0.001-0.002 mm/s。
上述步骤（2）中，密闭缺氧高温煅烧时，将前驱体纤维置于容器中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与容器的体积比为0.6-1.2 mg/cm3，然后按照5 ℃/min的升温速度由室温升至550-650 ℃进行煅烧，煅烧时间为1-5 h。所述容器可以是能够耐受高温的任意可密封容器，例如坩埚。
本发明方法采用了一种新颖的前驱体纺丝液反应体系，通过设计混合溶剂的组成与比例、原料的加入量与浓度、静电纺丝条件等，易于控制前驱体纺丝液的成纤过程。其中，PVP为导电聚合物，NH4HCO3为电解质和气体发生剂，月桂酸为高温分散剂，NH4HCO3与月桂酸的存在能够调节纺丝液体系的粘度、电解质浓度、电导率等参数，经静电纺丝过程容易得到直径可调的前驱体纤维。在前驱体纤维高温煅烧过程中，本发明采用密闭缺氧高温煅烧，前驱体纤维在封闭体积中处于缺氧状态，能够有效结合前驱体纤维的高温分解过程，有利于调控SnO2的成核与长大及其与无定型C的均匀复合成型，特别是升温过程中有机物的氧化还原反应及NH4HCO3分解产生的气体会充满坩埚体内，进一步保持缺氧环境，不仅能够控制SnO2的成核与晶化成型过程，还可以控制烧结体的碳化过程。在高温条件下结合各反应物的分解反应，驱动SnO2/C复合微纳米棒的形成及其自组装过程，最终得到了形貌特殊的SnO2/C复合微米花结构。
本发明上述方法制得的SnO2/C复合材料具有微米花形貌，该SnO2/C复合微米花的表面粗糙，有突出的凸起，形成花状形貌，直径为1-15 μm。经XRD和SEM图验证，该SnO2/C复合微米花是由微纳米棒自组装而成，所述微纳米棒中同时具有SnO2与无定型C成分，所述微纳米棒为SnO2与无定型C复合形成的SnO2/C微纳米棒，直径为0.08-2 μm，长径比为6-12：1。
本发明通过静电纺丝法和改进的高温煅烧过程得到了由SnO2/C微纳米棒组装而成的尺寸可调的SnO2/C复合微米花，其形貌特殊，该形貌是首次采用静电纺丝法和高温煅烧方式制得，本发明所得产品也在本发明保护范围之内。
本发明技术路线简单，原料来源广泛，热处理过程实用性强，可控性好，在反应体系的合理设计及缺氧条件下的煅烧处理方式的紧密结合下，重点调控各反应物的加入比例与煅烧参数，控制前驱体纤维的高温物理化学变化及动力学反应进程，在密闭缺氧、反应分解气体的协同作用下，不需要惰性气氛的保护就可以得到SnO2/C复合微米花。本发明产品形貌与传统的静电纺丝法得到的一维SnO2/C微纳米纤维具有显著不同，反应机理与反应过程存在巨大差异，所得SnO2/C复合微米花电化学性能好，在超级电容器、锂离子电池等领域具有重要的应用价值。所得产物的尺寸可调。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的SnO2/C复合微米花的X射线衍射（XRD）图谱。
图2为本发明实施例1合成的SnO2/C复合微米花的拉曼光谱。
图3为本发明实施例1合成的前驱体纤维的荧光显微镜图片。
图4为本发明实施例1合成的SnO2/C复合微米花的扫描电镜（SEM）图片。
图5为本发明对比例1合成的产物的SEM图片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的阐述，下述说明仅为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
本发明所用PVP的分子量大于100万，下述实施例中，所用PVP的分子量为1300000，PVP的摩尔数按单体计算，其单体摩尔质量为111。
实施例1
1.1将0.354 g的五水合四氯化锡（SnCl4∙5H2O）、0.056 g的NH4HCO3、0.081 g的月桂酸、0.700 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和4.0 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
1.2将上述溶液通过静电纺丝法得到前驱体纤维，纺丝参数为：正电压为18 KV，负电压为0.5 KV，接收距离为15 cm，注射器推进速度为0.002 mm/s。
1.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为0.9 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至600 ℃，保温2 h，样品随炉冷却后得到SnO2/C复合微米花。
产物的XRD结果如图1所示，从图中可以看出，所有较强的衍射峰均与标准XRD卡（41-1445）保持一致，20-50度之间的衍射峰包对应着碳的特征漫包峰，证明所得产物为四方相SnO2与无定型C的复合晶相；产物的拉曼光谱结果如图2所示，从图中可以看出，在200-1000 cm-1低波数区域内的拉曼峰对应着SnO2的特征拉曼峰（以A1g模为主），在1371 cm-1和1592 cm-1处的拉曼峰对应着C的特征拉曼峰（D模和G模），进一步证明得到的产物是SnO2/C复合材料；前驱体纤维的荧光显微镜照片如图3所示，前驱体纤维形貌均一，单根纤维直径为1.0-1.5 μm；产物的SEM如图4所示，本发明得到的SnO2/C复合微米花的直径为5.0-6.2 μm；该微米花的结构基本单元为SnO2与无定型C复合形成的SnO2/C微纳米棒，直径为0.36-0.92 μm，长径比为7.5-9.1：1。
实施例2
2.1将0.542 g的SnCl4∙5H2O、0.096 g的NH4HCO3、0.151 g的月桂酸、1.000 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和3.5 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
2.2将上述溶液通过静电纺丝法得到前驱体纤维，纺丝参数为：正电压为20 KV，负电压为0.5 KV，接收距离为18 cm，注射器推进速度为0.002 mm/s。
2.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为1.2 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至650 ℃，保温4 h，样品随炉冷却后得到直径为13.0-14.4 μm的SnO2/C复合微米花，其基本结构单元SnO2/C微纳米棒的直径为1.10-1.88 μm，长径比为9.3-10.9：1。
实施例3
3.1将0.340 g的SnCl4∙5H2O、0.039 g的NH4HCO3、0.060 g的月桂酸、0.840 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和5.0 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
3.2将上述溶液通过静电纺丝法得到前驱体纤维，纺丝参数为：正电压为15 KV，负电压为0.5 KV，接收距离为13 cm，注射器推进速度为0.001 mm/s。
3.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为0.6 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至550 ℃，保温1 h，样品随炉冷却后得到直径为1.5-2.1 μm的SnO2/C复合微米花，其基本结构单元SnO2/C微纳米棒的直径为0.16-0.58 μm，长径比为6.5-8.1：1。
实施例4
4.1将0.584 g的SnCl4∙5H2O、0.079 g的NH4HCO3、0.150 g的月桂酸、1.190 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和4.5 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
4.2将上述溶液通过静电纺丝法得到前驱体纤维，纺丝参数为：正电压为17 KV，负电压为0.5 KV，接收距离为16 cm，注射器推进速度为0.001 mm/s。
4.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为0.8 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至600 ℃，保温3 h，样品随炉冷却后得到直径为4.3-5.4 μm的SnO2/C复合微米花，其基本结构单元SnO2/C微纳米棒的直径为0.28-0.74 μm，长径比为7.1-8.4：1。
实施例5
5.1将0.531 g的SnCl4∙5H2O、0.090 g的NH4HCO3、0.106 g的月桂酸、0.916 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和5.0 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
5.2将上述溶液通过静电纺丝法得到前驱体纤维，纺丝参数为：正电压为19 KV，负电压为0.5 KV，接收距离为17 cm，注射器推进速度为0.002 mm/s。
5.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为1.1 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至650 ℃，保温2 h，样品随炉冷却后得到直径为7.8-9.3 μm的SnO2/C复合微米花，其基本结构单元SnO2/C微纳米棒的直径为0.85-1.52 μm，长径比为8.6-10.3：1。
实施例6
6.1将0.567 g的SnCl4∙5H2O、0.083 g的NH4HCO3、0.136 g的月桂酸、1.066 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和4.0 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
6.2将上述溶液通过静电纺丝法得到前驱体纤维，纺丝参数为：正电压为21 KV，负电压为0.5 KV，接收距离为16 cm，注射器推进速度为0.001 mm/s。
6.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为1.0 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至550 ℃，保温3 h，样品随炉冷却后得到直径为3.6-4.7 μm的SnO2/C复合微米花，其基本结构单元SnO2/C微纳米棒的直径为0.24-0.73 μm，长径比为7.7-9.2：1。
对比例1
1.1同实施例3；
1.2 同实施例3；
1.3将前驱体纤维置于敞口坩埚中，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为0.6mg/cm3，在氮气气氛保护下按照5 ℃/min的升温速度由室温升至550 ℃，保温1 h，样品随炉冷却后，所得产物的SEM如图5所示，从图中可以看出，所得产物为尺寸分布不均一、团聚现象明显的SnO2/C微纳米片状结构，其结构基本单元为分散性差、团聚明显的SnO2/C微纳米颗粒。由此可以看出，煅烧条件的设定对产品微观形貌的形成具有重要作用。
对比例2
2.1同实施例3；
2.2 同实施例3；
2.3将前驱体纤维置于敞口坩埚中，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为0.6mg/cm3，在空气中按照5 ℃/min的升温速度由室温升至550 ℃，保温1 h，样品随炉冷却后，所得产物为直径分布范围大、团聚现象明显的SnO2纤维，其结构基本单元为无规则形貌、尺寸分布范围大（0.15-1.20 μm）的SnO2类球形颗粒，该产物不再具有SnO2/C复合微米花结构。由此可以看出，煅烧条件的设定对产品的物相组成与微观形貌具有重要作用。
对比例3
3.1将1.062 g的SnCl4∙5H2O、0.051g的NaHCO3、0.607 g的石蜡、0.900 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和5.0 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
3.2 同实施例3；
3.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为0.6 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至550 ℃，保温1 h，样品随炉冷却后得到直径为1.5-2.1 μm的SnO2/C复合微米花，其基本结构单元SnO2/C微纳米棒的直径为0.16-0.58 μm，长径比为6.5-8.1：1。
样品随炉冷却后，所得产物为团聚现象明显、无规则形貌的SnO2/C块状结构，尺寸分布范围大（0.5-5 μm），该产物不再具有SnO2/C复合微米花结构。由此可以看出，反应体系的选择对产品的微观形貌具有重要作用。
对比例4
4.1将0.340 g的SnCl4∙5H2O、0.060 g的月桂酸、0.840 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和5.0 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液。
4.2 同实施例3；
4.3同实施例3；
样品随炉冷却后，所得产物为团聚现象明显、尺寸不均一的SnO2/C块状结构，尺寸分布范围大（1.3-4.5 μm）。该产物不再具有SnO2/C复合微米花结构。由此可以看出，碳酸氢铵对产物的微观形貌具有重要作用。
对比例5
5.1将0.340 g的SnCl4∙5H2O、0.039 g的NH4HCO3、0.840 g的PVP加入到1.0 mL的乙醇和5.0 mL的DMF的混合溶剂中，搅拌得到透明溶液；
5.2 同实施例3；
5.3同实施例3；
样品随炉冷却后，所得产物为团聚现象明显、尺寸不均一的SnO2/C块状结构，尺寸分布范围大（1.8-5.2 μm）。该产物不再具有SnO2/C复合微米花结构。由此可以看出，月桂酸的选择对产物的微观形貌具有重要作用。
对比例6
6.1同实施例3；
6.2 同实施例3；
6.3将前驱体纤维置于坩埚中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比为5 mg/cm3，按照5 ℃/min的升温速度由室温升至600 ℃，保温4 h，样品随炉冷却后得到团聚现象明显、尺寸不均一的SnO2/C块状结构，尺寸分布范围大（1.5-6.5 μm）。由此可以看出，前驱体纤维的加入质量与坩埚的体积比对产物的微观形貌具有重要作用。

Claims (9)

1.一种SnO2/C复合微米花的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将锡盐、NH4HCO3、月桂酸和聚乙烯吡咯烷酮加入到乙醇和二甲基甲酰胺的混合溶剂中，搅拌得透明溶液；
（2）将步骤（1）的透明溶液通过静电纺丝形成前驱体纤维，然后将前驱体纤维在密闭缺氧条件下进行高温煅烧，得到SnO2/C复合微米花；
步骤（2）中，密闭缺氧高温煅烧时，将前驱体纤维置于容器中加盖密闭，前驱体纤维的加入质量与容器的体积比为0.6-1.2 mg/cm3，然后按照5 ℃/min的升温速度由室温升至550-650 ℃进行煅烧，煅烧时间为1-5 h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，锡盐、NH4HCO3、月桂酸和PVP的摩尔比为1：0.5-0.8：0.3-0.5：5-8，其中PVP的摩尔量按其聚合单体的摩尔量计。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，乙醇和二甲基甲酰胺的体积比为1：3.5-5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，锡盐在乙醇和二甲基甲酰胺的混合溶剂中的浓度为0.15-0.35 mol/L。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，所述锡盐为锡的卤化物。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（2）中，静电纺丝时，正电压为15-22kV，负电压为0.5 kV，接收距离为13-18 cm，注射器推进速度为0.001-0.002 mm/s。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征是：所得SnO2/C复合微米花是由SnO2与无定型碳复合形成的SnO2/C微纳米棒组装而成。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：SnO2/C微纳米棒的直径为0.08-2 μm，长径比为6-12：1；SnO2/C复合微米花的直径为1-15 μm。
9.按照权利要求1-8中任一项所述的SnO2/C复合微米花的制备方法制得的SnO2/C复合微米花。
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