CN107634224B - 一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法 - Google Patents

一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于功能材料制备领域，尤其是涉及一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，解决其电子电导率过低和充放电过程中伴随的极化而发生体积膨胀的问题。先将多壁碳纳米管端帽打开并提纯，然后在可抽真空的加热反应器里用氯化铁插层，再使用氟化氢将氯化铁转化为氟化铁，然后使用氟气适度氟化多壁碳纳米管，最终形成外壁有一定氟化，层间为氟化铁，内层为具有一定导电性的复合型多壁碳纳米管。本发明工艺方法使得材料既通过外壁氟化和氟化铁层间物提供较高的输出电压及理论比容量，又尽可能的保持材料内壁的导电性，该材料很适合作为一种新型的锂电池正极材料使用。

Description

一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料制备领域，尤其是涉及一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法。
背景技术
将碳材料与氟气源的物质高温下反应，会生产全新的化合物—氟化碳素材料。这是一种通过碳与氟结合而形成的一种碳素材料层间化合物，其层间物是氟原子，分为共价键型的层间化合物和半离子型的层间化合物。氟化碳材料具有表面能极低、电活性极高、吸收热中子断面积相对较低等性质，所以氟化碳能够在润滑、除油、防污、电池、核反应等方面被广泛应用。
当用作电池、电极的活性材料。氟化石墨与非水系电解质组合可制成高能量密度、高能输出功率、长储存周期、高安全性能的新型电池，该电池能量为锌、碱性电池的6～9倍。
由于氟的电负性大，金属氟化物正极材料的工作电压远高于其他金属氧化物、金属硫化物等正极材料。而且金属氟化物的贮能机理并不仅仅是锂离子嵌入/脱出机理，它还能通过可逆化学转换反应贮存能量。而在众多金属氟化物中，高理论比容量(712mAh/g)的三氟化铁正极材料逐渐进入研究者的视线，尤其是它独特的多电子反应机制能极大的从中提升电池的能量密度，三氟化铁在用作正极材料时，充放电过程中存在两种不同的储锂机理，在2.5～4.5V电压区间内，一个锂离子在FeF3晶体结构内可逆的嵌入/脱出，伴随着Fe3+/Fe2+的转变，是典型的嵌、脱锂机理，储锂容量为237mAh·g-1。在1.5～2.5V电压区间，氟化铁可以继续与两个锂离子发生电化学还原反应，形成Fe纳米粒子与LiF，为可逆化学转换机理，储锂容量为475m Ah·g-1。
三氟化铁作为一种优良的正极材料，目前仍存在电子电导率过低和充放电过程中伴随的极化而发生体积膨胀的问题。
氟化碳作为一种锂电池常用的电极正极材料，高度地氟化的CFx(x＝0.2～0.9)的绝缘性质，在电池中产生过电压并且降低法拉第效率(实验容量比理论容量的比率)。为了改善这个问题，人们使用各种办法在不影响容量的前提下，提高正极氟化碳的导电率，但是在容量和导电性上总是难以达到很好的协调和平衡。
发明内容
为了克服上述现有材料制备存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，利用多壁碳纳米管的多层石墨化结构，将氯化铁插层到管壁中，然后氟化为氟化铁。氟化铁插层在多壁碳纳米管的内层的导电石墨壁中，解决其电子电导率过低和充放电过程中伴随的极化而发生体积膨胀的问题。同时，多壁碳纳米管外壁的适度氟化也提高材料的电极容量。
本发明的技术方案是：
一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤和工艺制备：
(1)将多壁碳纳米管先后通过无机碱和无机酸的热处理，使得多壁碳纳米管的端帽打开，同时纯度提高；
(2)将端帽打开的多壁碳纳米管放置到干燥的可抽真空的加热反应器中，在高温下通入氯化铁蒸汽反应，使得氯化铁插层进入多壁碳纳米管内；
(3)通入干燥的氟化氢气体，将氯化铁氟化为氟化铁；
(4)通入氟气和惰性气体或氮气的混合气，将多壁碳纳米管的外壁氟化；
(5)反应结束后降温至室温，用氮气吹扫反应器中的气体至尾气处理段进行尾气无害化处理，然后取出反应产物用纯水超声洗涤至中性，烘干包装即可。
所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，步骤(1)中，无机碱为KOH、NaOH的一种或两种，惰性气体或氮气保护下煅烧，处理温度为700～750℃，时间3～4小时；无机酸为HCl、HNO3的一种或两种，回流处理温度80～90℃，时间2～3小时；然后，水洗至中性烘干，所述酸或碱与多壁碳纳米管质量比均为30～80:1。
所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，步骤(2)中，通入的氯化铁质量与多壁碳纳米管质量比为2～3:1，氯化铁蒸汽插层的温度为315～350℃，时间反应4～8小时，反应结束后降温到310℃～315℃，过程压力维持在0.2～0.6MPa中。
所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，步骤(3)中，通入的氟化氢气体质量与多壁碳纳米管质量比为1～2:1，反应的温度为310～315℃，时间反应4～8小时，过程压力维持在0.1～0.4MPa中。
所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，步骤(4)中，通入的氟气与惰性气体或氮气的质量比为1:2～5，氟气与多壁碳纳米管质量比为1～3:1，反应的温度为300～350℃，时间反应4～8小时，过程压力维持在0.1～0.23MPa中。
所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，反应器的压力通过反应器尾端尾气阀释放过多的气体到尾气处理端，使反应器保持在压力范围内。
所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，该方法所获得产物平均化学组成为CFxFey；其中，氟碳原子比为0.05～0.90，铁碳原子比为0.04～0.95。
与现有氟化碳管技术相比，本发明的优点及有益效果是：
1、本发明先将多壁碳纳米管端帽打开并提纯，然后在可抽真空的加热反应器里用氯化铁插层，再使用氟化氢将氯化铁转化为氟化铁，然后使用氟气适度氟化多壁碳纳米管，最终形成外壁有一定氟化，层间为氟化铁，内层为具有一定导电性的复合型多壁碳纳米管。该工艺的方法使得材料既通过外壁氟化和氟化铁层间物提供较高的输出电压及理论比容量，又尽可能的保持材料内壁的导电性，该材料很适合作为一种新型的锂电池正极材料使用。
2、本发明使用氯化铁插层到多壁碳纳米管层间，然后氟化为氟化铁。这增加氟化碳材料的输出电压及理论比容量。没有使用高浓度氟气做全氟化，适度的氟化保持多壁碳纳米管一定的导电性，特别是多壁碳纳米管内壁的导电性，夹层的多壁碳纳米管壁也会对氟化铁的极化而发生体积膨胀的问题得到较好的抑制。
附图说明
图1为本发明工艺实施的产品外观实物图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明氟化插层碳素材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、将多壁碳纳米管先用KOH、NaOH的一种或两种混合，在惰性气氛条件下，管式炉中700～750℃反应3～4小时，使得多壁碳纳米管的端帽打开。然后，冷却至室温后水洗中性后烘干。烘干后与浓HCl、浓HNO3的一种或两种混合，于80～90℃回流反应时间2～3小时，使多壁碳纳米管表面干净，纯度提高(纯度范围为99wt％～99.99wt％)，所述酸或碱与多壁碳纳米管质量比为30～80:1。
二、将端帽打开的高纯多壁碳纳米管放置到干燥的可抽真空的加热反应器中，在315～350℃下通入与多壁碳纳米管质量比为2～3:1的氯化铁蒸汽反应4～8小时，使得氯化铁插层进入多壁碳纳米管内，反应结束后降温到310℃～315℃，过程压力维持在0.2～0.6MPa中。考虑到安全性，反应温度控制在320～330℃，压力在0.2～0.4MPa范围为宜。
三、在310～315℃下通入与多壁碳纳米管质量比为1～2:1的干燥的氟化氢气体应4～8小时，过程压力维持在0.1～0.4MPa，将氯化铁氟化为氟化铁。考虑到安全性和材料导电性，压力在0.1～0.2MPa范围为宜，这样氟化氢优先和氯化铁反应，而与多壁碳纳米管壁反应趋势很弱，保持多壁碳纳米管壁的导电性。
四、在300～350℃下通入一定浓度的氟气和惰性气体或氮气的混合气，通入的氟气与惰性气体或氮气质量比为1:2～5，氟气与多壁碳纳米管质量比为1～3:1，反应4～8小时，通过尾气阀控制过程压力在0.1～0.3MPa范围，将多壁碳纳米管的外壁适度氟化。考虑到安全性和材料导电性，氟气与多壁碳纳米管质量比为1～2:1，反应温度300～320℃，压力在0.1～0.12MPa范围为宜。这样使得多壁碳纳米管外壁发生适度的氟化，而内壁由于氟化铁的位阻效应，氟化被有效的阻止。
五、反应结束后降温至室温，用氮气吹扫反应器中的气体至尾气处理段进行尾气无害化处理，然后取出反应产物用纯水超声洗涤至中性，烘干包装即可。
利用上述工艺方法，可制备出一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的产物。其平均化学组成为CFxFey。其中氟碳原子比为0.05～0.90，铁碳原子比为0.04～0.95。优化后的氟碳原子比为0.10～0.60，铁碳原子比为0.10～0.30。
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。以下实施例的产物平均化学组成为CFxFey，其中：氟碳原子比为0.10～0.60，铁碳原子比为0.10～0.30。
实施例1
本实施例中，含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：
一、将干燥的多壁碳纳米管与KOH混合均匀，在氮气氛下，管式炉中700℃反应4小时，然后冷却室温后水洗中性后烘干。烘干后与40倍质量比的浓硝酸(浓度68wt％)混合，80℃回流反应时间2小时，然后水洗至中性烘干。
二、将端帽打开的高纯多壁碳纳米管放置到干燥的可抽真空的加热反应器中，在330℃下通入与多壁碳纳米管质量比为2:1的氯化铁蒸汽反应6小时，使得氯化铁插层进入多壁碳纳米管内，反应结束后降温到310℃，过程压力维持在0.4MPa中。
三、在310℃下通入与多壁碳纳米管质量比为2:1的干燥的氟化氢气体应8小时，过程压力维持在0.1MPa，将氯化铁氟化为氟化铁。
四、在320℃下通入一定浓度的氟气和氮气的混合气，通入的氟气与氮气质量比为1:2，氟气与多壁碳纳米管质量比为3:1，反应8小时，通过尾气阀控制过程压力在0.1MPa。反应结束后降温至室温，用氮气吹扫反应器中的气体至尾气处理段进行尾气无害化处理，然后取出反应产物用纯水超声2小时，洗涤至中性，烘干包装即可。
本实施例的产物平均化学组成为CFxFey，其中：氟碳原子比为0.5，铁碳原子比为0.2，其技术指标如表1所示。
如图1所示，从本发明工艺实施的产品外观实物图可以看出，产品为灰白色，颜色越深，导电性保持得越好，颜色越白，做电极材料的容量越好。
实施例2
本实施例中，含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：
一、将干燥的多壁碳纳米管与NaOH混合均匀，在氮气氛下，管式炉中750℃反应4小时，然后冷却室温后水洗中性后烘干。烘干后与30倍质量比的发烟浓硝酸(浓度85wt％)混合，90℃回流反应时间2小时，然后水洗至中性烘干。
二、将端帽打开的高纯多壁碳纳米管放置到干燥的可抽真空的加热反应器中，在320℃下通入与多壁碳纳米管质量比为2:1的氯化铁蒸汽反应6小时，使得氯化铁插层进入多壁碳纳米管内，反应结束后降温到310℃，过程压力维持在0.3MPa中。
三、在310℃下通入与多壁碳纳米管质量比为2:1的干燥的氟化氢气体应8小时，过程压力维持在0.1MPa，将氯化铁氟化为氟化铁。
四、在330℃下通入一定浓度的氟气和氮气的混合气，通入的氟气与氮气质量比为1:2，氟气与多壁碳纳米管质量比为3:1，反应8小时，通过尾气阀控制过程压力在0.1MPa。反应结束后降温至室温，用氮气吹扫反应器中的气体至尾气处理段进行尾气无害化处理，然后取出反应产物用纯水超声3小时，洗涤至中性，烘干包装即可。
本实施例的产物平均化学组成为CFxFey，其中：氟碳原子比为0.6，铁碳原子比为0.2，其技术指标如表1所示。
实施例3
本实施例中，含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：
一、将干燥的多壁碳纳米管与KOH混合均匀，在氮气氛下，管式炉中730℃反应5小时，然后冷却室温后水洗中性后烘干。烘干后与80倍质量比的浓盐酸(浓度35wt％)混合，80℃回流反应时间3小时，然后水洗至中性烘干。
二、将端帽打开的高纯多壁碳纳米管放置到干燥的可抽真空的加热反应器中，在315℃下通入与多壁碳纳米管质量比为2:1的氯化铁蒸汽反应6小时，使得氯化铁插层进入多壁碳纳米管内，反应结束后降温到310℃，过程压力维持在0.2MPa中。
三、在315℃下通入与多壁碳纳米管质量比为2:1的干燥的氟化氢气体应8小时，过程压力维持在0.1MPa，将氯化铁氟化为氟化铁。
四、在325℃下通入一定浓度的氟气和氮气的混合气，通入的氟气与氮气质量比为1:2，氟气与多壁碳纳米管质量比为3:1，反应8小时，通过尾气阀控制过程压力在0.1MPa。反应结束后降温至室温，用氮气吹扫反应器中的气体至尾气处理段进行尾气无害化处理，然后取出反应产物用纯水超声3小时，洗涤至中性，烘干包装即可。本实施例的产物平均化学组成为CFxFey，其中：氟碳原子比为0.5，铁碳原子比为0.1，其技术指标如表1所示。
表1.实施例产品性能部分测试结果
Figure BDA0001407498770000061
表1的实施例结果表明，本发明以上实施例产品的氟、铁、碳原子比适中，很好的解决该材料在容量和导电性上协调和平衡的问题。

Claims (5)

1.一种含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤和工艺制备：
(1) 将多壁碳纳米管先后通过无机碱和无机酸的热处理，使得多壁碳纳米管的端帽打开，同时纯度提高；
步骤(1) 中，无机碱为KOH、NaOH的一种或两种，惰性气体或氮气保护下煅烧，处理温度为700～750℃，时间3～4小时；无机酸为HCl、HNO3的一种或两种，回流处理温度80～90℃，时间2～3小时；然后，水洗至中性烘干，所述酸或碱与多壁碳纳米管质量比均为30～80:1；
(2) 将端帽打开的多壁碳纳米管放置到干燥的可抽真空的加热反应器中，在高温下通入氯化铁蒸汽反应，使得氯化铁插层进入多壁碳纳米管内；
步骤(2) 中，通入的氯化铁质量与多壁碳纳米管质量比为2～3:1，氯化铁蒸汽插层的温度为315～350℃，时间反应4～8小时，反应结束后降温到310℃～315℃，过程压力维持在0.2～0.6MPa中；
(3) 通入干燥的氟化氢气体，将氯化铁氟化为氟化铁；
(4) 通入氟气和惰性气体或氮气的混合气，将多壁碳纳米管的外壁氟化；
(5) 反应结束后降温至室温，用氮气吹扫反应器中的气体至尾气处理段进行尾气无害化处理，然后取出反应产物用纯水超声洗涤至中性，烘干包装即可。
2.根据权利要求1 所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(3) 中，通入的氟化氢气体质量与多壁碳纳米管质量比为1～2:1，反应的温度为310～315℃，时间反应4～8小时，过程压力维持在0.1～0.4MPa中。
3.根据权利要求1 所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(4) 中，通入的氟气与惰性气体或氮气的质量比为1:2～5，氟气与多壁碳纳米管质量比为1～3:1，反应的温度为300～350℃，时间反应4～8小时，过程压力维持在0.1～0.23MPa中。
4.根据权利要求1～3 之一所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，反应器的压力通过反应器尾端尾气阀释放过多的气体到尾气处理端，使反应器保持在压力范围内。
5.根据权利要求1所述的含氟化铁插层物的外壁氟化多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，该方法所获得产物平均化学组成为CFxFey；其中，氟碳原子比为0.05～0.90，铁碳原子比为0.04～0.95。
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