CN109626444A - 一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，所述方法包括如下步骤：（1）将普鲁士蓝与硫源化合物分散于溶剂中，搅拌30~60分钟，得到悬浊液；（2）将步骤（1）中所得悬浊液进行水热反应，再自然冷却至室温，离心，洗涤沉淀，干燥后得到多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末。该方法所得多孔道亚微米球状FeS2，具有孔道结构有序、尺寸均匀、比表面大的特点，以普鲁士蓝为前驱体，绿色环保，工艺简单，环境友好，操作方便，制备成本低廉，适于大规模工业化生产。

Description

一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法
技术领域
本发明涉及一种FeS2的制备方法，具体涉及一种以普鲁士蓝为前驱体采用溶剂热法制备多孔道亚微米球状FeS2的方法。
背景技术
随着全球可再生能源的普及应用、电动汽车产业的迅速发展以及智能电网的建设，电化学储能与转换技术成为制约或促进能源发展的关键环节。近年来，随着高性能电化学储能装置的需求大幅度增加，研究人员投入了大量的精力用于开发先进的电极材料，在各种金属硫化物中，FeS2因具有储量丰富、价廉易得、环境友好的优势而备受关注。目前，FeS2在电化学储能与转换领域的主要应用方向为：热电池、锂离子电池、高性能钠离子电池、超级电容器、电解水析氢反应（HER）催化剂等。
当前所制备的FeS2多为实心结构，由于实心结构材料具有较低的比表面积和较少的活性位点，限制了其在电化学储能与转换方面的广泛应用。
多孔道亚微米球状结构材料因其独特的结构使得其在电化学储能与转换的应用上呈现出全新的面貌。相比于实心球，多孔道亚微米球状结构材料可以为电化学储能与转换提供诸多结构优势：（1）多孔道亚微米球状结构为电化学反应提供了大的有效表面积和丰富的活性位点，有利于提高电化学性能。（2）多孔道亚微米球状结构可确保电解液对电极表面的有效浸润和渗透，促进电荷在电极-电解液界面间的快速转移。（3）多孔道亚微米球状结构可有效缓解纳米材料的堆积和团聚问题。（4）多孔道亚微米球状结构中的孔道结构有助于缓解电极材料，尤其是基于转换/合金化的负极材料，在电化学过程中的体积变化，从而赋予多孔道亚微米球状结构材料优越的力学性能，并改善其在电化学反应过程中的结构降解。
经过对现有技术检索发现，目前国内尚未见有关多孔道亚微米球状FeS2的制备方法的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，该方法以普鲁士蓝为前驱体采用溶剂热法制备多孔道亚微米球状FeS2，所得多孔道亚微米球状FeS2具有孔道结构有序、尺寸均匀、比表面大的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，包括如下步骤：
（1）将铁源、聚乙烯吡咯烷酮加入到盐酸溶液中，搅拌30~60分钟，得到均一溶液。
本步骤中，所述铁源为铁氰化钾、亚铁氰化钾一种或几种；所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为8000、10000、24000、58000、1300000中的一种或几种；所述均一溶液中，铁盐的摩尔浓度为0.01~0.2mol/L，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20~200g/L；所述盐酸溶液中，HCl的摩尔浓度为0.01~0.1mol/L。
（2）将步骤（1）中所得均一溶液进行水热反应，再自然冷却至室温，离心，洗涤沉淀，干燥后得到普鲁士蓝。
本步骤中，所述水热反应为将均一溶液装入反应釜中，置于烘箱中进行；所述水热反应的温度为70~90℃，时间为12~36h；所述洗涤的方式为依次用乙醇、去离子水分别洗涤沉淀≥2次；所述干燥温度为50~80℃，时间为12~24h。
（3）将步骤（2）所得普鲁士蓝与硫源化合物分散于溶剂中，搅拌30~60分钟，得到悬浊液。
本步骤中，所述硫源化合物为硫脲、硫化钠或硫代乙酰胺中的一种或几种；所述普鲁士蓝与硫源化合物的质量比为1:5~10；所述溶剂为去离子水、乙醇或二甲基甲酰胺中的一种或几种。
（4）将步骤（3）中所得悬浊液进行水热反应，再自然冷却至室温，离心，洗涤沉淀，干燥后得到多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末。
本步骤中，所述水热反应为将悬浊液装入反应釜中，置于烘箱中进行；所述水热反应的温度为120~180℃，时间为2~12h；所述洗涤的方式为依次用乙醇、去离子水分别洗涤沉淀≥2次；所述干燥温度为50~80℃，时间为12~24h。
本发明所得多孔道亚微米球状FeS2具有孔道结构有序、尺寸均匀、比表面大的特点，以普鲁士蓝为前驱体，绿色环保，制备成本低廉，适于大规模工业化生产，其独特的结构可以为电化学储能与转换提供诸多结构优势：
（1）相比于实心球结构，其比表面积高、活性位点丰富。
（2）多孔道结构可确保电解液对电极表面的有效浸润和渗透，利于离子扩散传输。
（3）亚微米结构材料相比于纳米结构材料可以显著缓解材料的堆积和团聚问题。
（4）孔道结构有助于缓解材料在电化学过程中的体积变化。
利用以上独特结构优势，多孔道亚微米球状FeS2可以作为高效电极材料应用于热电池、锂离子电池、高性能钠离子电池、超级电容器、HER催化剂等。
附图说明
图1为实施例1所得普鲁士蓝前驱体的XRD谱图；
图2为实施例1所得普鲁士蓝前驱体的SEM图；
图3为实施例1所得多孔道亚微米球状FeS2的XRD谱图；
图4为实施例1所得多孔道亚微米球状FeS2的低倍SEM图；
图5为实施例1所得多孔道亚微米球状FeS2的高倍SEM图；
图6为实施例1所得多孔道亚微米球状FeS2的TEM图；
图7为实施例1所得多孔道亚微米球状FeS2的N2吸脱附曲线；
图8为实施例1所得多孔道亚微米球状FeS2在0.5 M H2SO4溶液的HER极化曲线；
图9为实施例2所得多孔道亚微米球状FeS2在1.0 M KOH溶液的HER极化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
本实施例提供了一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，并用于在酸性条件的HER性能测试，具体实施步骤如下：
（1）将658.5mg铁氰化钾、10g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮加入到80mL浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中，磁力搅拌30分钟，得到均一溶液；
（2）将步骤（1）中所得均一溶液置于100mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，放入鼓风干燥箱中，在80℃下反应24h，再自然冷却至室温，离心，用无水乙醇和去离子水分别先后洗涤沉淀3次，在50℃真空干燥箱中干燥12h，得到普鲁士蓝前驱体；
（3）将步骤（2）所得30mg普鲁士蓝前驱体与150.3mg硫代乙酰胺比例分散于40mL无水乙醇溶剂中，磁力搅拌30分钟，得到悬浊液；
（4）将步骤（3）中所得悬浊液置于50mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，放入鼓风干燥箱中，在180℃下进行水热反应6h，然后自然冷却至室温，过滤，用无水乙醇和去离子水分别先后洗涤沉淀3次，在50℃真空干燥箱中干燥12h，得到多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末；
（5）将步骤（4）中所得多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末研磨，取2 mg粉末加入到500 μL的 Nafion-水-异丙醇（体积比为0.05 : 4 : 1）的混合溶液中，超声20分钟至分散均匀，然后在打磨过的玻碳电极上滴加7 μL分散液，自然晾干后即得到测试所需的工作电极；
（6）将步骤（5）中所得工作电极通过CHI660D电化学工作站进行HER性能测试，以Ag/AgCl电极为参比电极，碳棒为辅助电极，0.5 M H2SO4溶液为电解液，采用线性扫描伏安法进行HER性能测试。
从图1所示的普鲁士蓝前驱体的XRD谱图可知，本实施例所制备的普鲁士蓝前驱体与F4[Fe(CN)6]3标准PDF卡片（JCPDS No. 01-0239）相符。
从图2所示的普鲁士蓝前驱体的SEM图可知，本实施例所制备的普鲁士蓝前驱体为尺寸均一的球状结构。
从图3所示的多孔道亚微米球状FeS2的XRD谱图可知，本实施例所制备多孔道亚微米球状FeS2与FeS2的标准PDF卡片（JCPDS No. 42-1340）相一致。
从图4和图5所示的不同倍率下多孔道亚微米球状FeS2的SEM图可知，本实施例所制备的FeS2具有多孔道亚微米球状结构，其表面有许多孔道，尺寸均一，直径为500 nm左右。
从图6所示的多孔道亚微米球状FeS2的TEM图可知，本实施例所制备的FeS2孔道分布均匀，且通道结构内部互相联通。
从图7所示的多孔道亚微米球状FeS2的N2吸脱附曲线可知，本实施例所制备的多孔道亚微米球状FeS2比表面积达到104.3 m2 g-1，属于典型的IV型等温线。
从图8所示的多孔道亚微米球状FeS2在0.5 M H2SO4溶液的HER极化曲线可知，本实施例所制备的FeS2在酸性条件下具有优异的HER性能，在电流密度为10mA cm-2时所对应的HER过电位仅为136 mV。
实施例2
本实施例提供了一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，并用于在酸性条件的HER性能测试，具体实施步骤如下：
（1）将658.5mg铁氰化钾、10g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮加入到80mL浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中，磁力搅拌30分钟，得到均一溶液；
（2）将步骤（1）中所得均一溶液置于100mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，放入鼓风干燥箱中，在80℃下反应24h，再自然冷却至室温，离心，用无水乙醇和去离子水分别先后洗涤沉淀3次，在50℃真空干燥箱中干燥12h，得到普鲁士蓝前驱体；
（3）将步骤（2）所得30mg普鲁士蓝前驱体与150.3mg硫代乙酰胺比例分散于40mL无水乙醇溶剂中，磁力搅拌30分钟，得到悬浊液；
（4）将步骤（3）中所得悬浊液置于50mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，放入鼓风干燥箱中，在180℃下进行水热反应6h，然后自然冷却至室温，过滤，用无水乙醇和去离子水分别先后洗涤沉淀3次，在50℃真空干燥箱中干燥12h，得到多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末；
（5）将步骤（4）中所得多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末研磨，取2 mg粉末加入到500 μL的 Nafion-水-异丙醇（体积比为0.05 : 4 : 1）的混合溶液中，超声20分钟至分散均匀，然后在打磨过的玻碳电极上滴加7 μL分散液，自然晾干后即得到测试所需的工作电极；
（6）将步骤（5）中所得工作电极，通过CHI660D电化学工作站进行HER性能测试，以Ag/AgCl电极为参比电极，碳棒为辅助电极，1.0 M KOH溶液为电解液，采用线性扫描伏安法进行HER性能测试。
从图9所示的多孔道亚微米球状FeS2在1.0 M KOH溶液的HER极化曲线可知，本实施例所制备的FeS2在碱性条件下具有优异的HER性能，在电流密度为10mA cm-2时所对应的HER过电位仅为158 mV。
实施例3
本实施例提供了一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，所述方法具体实施步骤如下：
（1）将658.5mg铁氰化钾、10g分子量为58000的聚乙烯吡咯烷酮加入到80mL浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中，磁力搅拌30分钟，得到均一溶液；
（2）将步骤（1）中所得均一溶液置于100mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，放入鼓风干燥箱中，在80℃下反应24h，再自然冷却至室温，离心，用无水乙醇和去离子水分别先后洗涤沉淀3次，在50℃真空干燥箱中干燥12h，得到普鲁士蓝前驱体；
（3）将步骤（2）所得30mg普鲁士蓝前驱体与150.3mg硫代乙酰胺比例分散于40mL无水乙醇溶剂中，磁力搅拌30分钟，得到悬浊液；
（4）将步骤（3）中所得悬浊液置于50mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，放入鼓风干燥箱中，在160℃下进行水热反应12h，然后自然冷却至室温，过滤，用无水乙醇和去离子水分别先后洗涤沉淀3次，在50℃真空干燥箱中干燥12h，得到多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末。

Claims (10)

1.一种多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
（1）将普鲁士蓝与硫源化合物分散于溶剂中，搅拌30~60分钟，得到悬浊液；
（2）将步骤（1）中所得悬浊液进行水热反应，再自然冷却至室温，离心，洗涤沉淀，干燥后得到多孔道亚微米球状FeS2黑色粉末。
2.根据权利要求1所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述普鲁士蓝按照如下方法进行制备：
（a）将铁源、聚乙烯吡咯烷酮加入到盐酸溶液中，搅拌30~60分钟，得到均一溶液；
（b）将步骤（a）中所得均一溶液进行水热反应，再自然冷却至室温，离心，洗涤沉淀，干燥后得到普鲁士蓝。
3.根据权利要求2所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述铁源为铁氰化钾、亚铁氰化钾一种或几种；所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为8000、10000、24000、58000、1300000中的一种或几种；所述均一溶液中，铁盐的摩尔浓度为0.01~0.2mol/L，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20~200g/L；所述盐酸溶液中，HCl的摩尔浓度为0.01~0.1mol/L。
4.根据权利要求2所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述水热反应为将均一溶液装入反应釜中，置于烘箱中进行；所述水热反应的温度为70~90℃，时间为12~36h。
5.根据权利要求2所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述洗涤的方式为依次用乙醇、去离子水分别洗涤沉淀≥2次；所述干燥温度为50~80℃，时间为12~24h。
6.根据权利要求1所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述硫源化合物为硫脲、硫化钠或硫代乙酰胺中的一种或几种。
7.根据权利要求1或6所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述普鲁士蓝与硫源化合物的质量比为1:5~10。
8.根据权利要求1所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述溶剂为去离子水、乙醇或二甲基甲酰胺中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述水热反应为将悬浊液装入反应釜中，置于烘箱中进行；所述水热反应的温度为120~180℃，时间为2~12h。
10.根据权利要求1所述的多孔道亚微米球状FeS2的制备方法，其特征在于所述洗涤的方式为依次用乙醇、去离子水分别洗涤沉淀≥2次；所述干燥温度为50~80℃，时间为12~24h。
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