CN110015684A - 一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法 - Google Patents

一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法。该方法使用一定配比的SnO2醇溶胶和葡萄糖混合物作为前驱体，利用压电陶瓷超声雾化器将其转换成前驱体气雾，由惰性载流气体将气雾引入到管式炉的中空石英玻璃管中，利用热源进行加热，使前驱体气雾发生裂解转化，实现SnO2/非晶碳纳米复合材料的在线制备，与此同时具备原材料充分利用、制备过程中无废液产生以及可以产业化生产的优点。

Description

一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法。
技术背景
二氧化锡(SnO2)是一类重要的宽带隙半导体材料,由于其特殊的电学、光学、电化学性质，从而使其填补了半导体、储能、光电催化等领域在某一些条件下的所存在的应用的空缺。其中SnO2纳米材料以其性能良好、价格低廉、容易制备等优势，成为了新型电化学储能材料、传感器、电化学催化等领域的研究热点。同时，通过采用非晶碳、石墨烯、碳纳米管等其它材料与之进行复合，可以得到SnO2纳米复合材料，并能够进一步提高这类材料的性能。
然而，作为制备SnO2纳米复合材料所用的传统方法——水热合成法，其存在的非连续，无法量产以及由耗能耗时导致的成本过高问题一直限制该材料的发展。受制于该合成技术，此类材料一直都只能作为特殊应用的材料而不能大范围应用。同时，这类材料的水热合成方法产率一般低于50％，原材料无法充分利用、制备过程中产生大量的废液，因而增加了这类材料的制备成本同时还对环境产生污染而产生治理成本。
本发明提供了一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法。该方法克服了传统水热法制备SnO2/非晶碳纳米复合材料制备步骤复杂、无法连续大规模生产且原料利用率低并会产生大量废液、生产成本较高等缺点，具有制备工艺简单、快速、绿色环保等优点，为实现SnO2/非晶碳纳米复合材料量产、压缩生产成本从而产生更高的经济效益提供了可行性。
发明内容
提出该制备方法的目的是针对现有制备方法的不足，提供了一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法。该方法使用一定配比的SnO2醇溶胶和葡萄糖混合物作为前驱体，利用压电陶瓷超声雾化器将其转换成前驱体气雾，由惰性载流气体将气雾引入到管式炉的中空石英玻璃管中，利用热源进行加热，使前驱体气雾发生裂解转化，实现SnO2/非晶碳纳米复合材料的在线制备，与此同时具备原材料充分利用、制备过程中无废液产生以及可以产业化生产的优点。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
A.将葡萄糖和SnO2醇溶胶混合制成复合前驱体，置于三口反应容器中；其中葡萄糖与SnO2醇溶胶的质量比为(1:10)～(1:15)。
所述的SnO2醇溶胶采用四氯化锡、乙醇作为原料，配制成透明澄清的溶胶溶液，四氯化锡与乙醇的质量比为(1：15)～(1:20)。
B.将步骤A中得到的复合前驱体利用压电陶瓷超声雾化器产生复合前驱体气雾；通入惰性气体，将复合前驱体气雾从三口反应容器中引出。
所述的惰性气体选用纯度为99.9％以上的高纯氩气。作为优选，惰性气体流速在0.5～4L/min。
C.将步骤B中引出的复合前驱体气雾通入预热至1100～1200℃的石英管式炉中，利用热源促使复合前驱体气雾在线裂解转换成SnO2/非晶碳纳米复合材料。
D.在石英管的末端对纳米颗粒进行收集，获得SnO2/非晶碳纳米复合材料。
本发明的有益效果是：
该制备方法克服了传统SnO2/非晶碳纳米复合材料制备步骤复杂、无法连续大规模生产且原料利用率低并会产生大量废液、生产成本较高等缺点，具有制备工艺简单、快速、绿色环保等优点，为实现SnO2/非晶碳纳米复合材料量产、压缩生产成本从而产生更高的经济效益提供了可行性。
附图说明
图1为该制备方法用于连续制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的装置简图；
图2为气体流速度为1L/min，2L/min和3L/min时获得的样品的形貌特征图(SEM图)；
图3为气体流速度为1L/min，2L/min和3L/min时获得的样品的X射线衍射图谱(XRD图)；
图4为气体流速度为1L/min，2L/min和3L/min时获得的样品的拉曼光谱图 (Raman图)；
图5为该制备方法制备的SnO2/非晶碳纳米复合材料作为钠离子电池负极时的放电比容量—循环次数图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的分析。
图1为该制备方法用于连续制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的装置简图。
实施例1-1、SnO2/非晶碳纳米复合材料的制备。
A.前驱体溶胶的配制：取15g乙醇，加入1g四氯化锡并搅拌2-6小时后得到透明澄清溶液；并在获得的溶液中加入1.6g葡萄糖后搅拌溶解均匀。
B.SnO2/非晶碳纳米复合材料的制备：利用超声波雾化片将前驱体雾化前驱气雾，通入流速为1L/min的氩气作为载气，将复合前驱体气雾推入预热至1100℃的石英管中；在石英管的末端对纳米颗粒进行收集，获得SnO2/非晶碳纳米复合材料后，在经过洗涤、真空干燥等步骤处理后再通过SEM，XRD，Raman等分析手段对其进行表征。
可以观察到，实施例1-1制备的材料存在较为严重的团聚现象(图2(a))。X射线衍射图谱(图3)以及拉曼光谱图(图4)证明，该材料为SnO2/非晶碳纳米复合材料。
实施例1-2、SnO2/非晶碳纳米复合材料的制备。
A.前驱体溶胶的配制：取20g乙醇，加入1g四氯化锡并搅拌2-6小时后得到透明澄清溶液；在获得的溶液中加入1.4g葡萄糖搅拌溶解均匀。
B.SnO2/非晶碳纳米复合小球的制备：利用超声波雾化片将前驱体雾化成为前驱气雾，通入流速为2L/min的氩气，将复合前驱气雾推入预热至1100℃的石英管中；在石英管的末端对纳米颗粒进行收集，获得SnO2/非晶碳纳米复合材料后，在经过洗涤、真空干燥等步骤处理后再通过SEM，XRD，Raman等分析手段对其进行表征。
可以观察到，实施例1-2所制备的SnO2/非晶碳纳米复合材料存在一定的球形结构，在一定程度上改善了纳米复合材料的团聚现象(图2(b))。X射线衍射图谱(图3)以及拉曼光谱图(图4)证明，所得的样品为SnO2/非晶碳纳米复合材料。与实施例1-1相比较，本实施例所制得的SnO2/非晶碳纳米复合材料出现了与实施例1-1相似的SnO2晶粒大小和石墨化程度。
实施例1-3、SnO2/非晶碳纳米复合材料的制备。
A.前驱体溶胶的配制：取18g乙醇，加入1g四氯化锡并搅拌2-6小时后得到透明澄清溶液；在获得的溶液中加入1.6g葡萄糖搅拌溶解均匀。
B.SnO2/非晶碳纳米复合材料的制备：利用超声波雾化片将前驱体雾化成为前驱气雾，通入流速为3L/min的氩气，将复合前驱体气雾引入预热1100℃后的石英管中；在石英管的末端对纳米颗粒进行收集，获得的SnO2/非晶碳纳米复合材料在洗涤、真空干燥等步骤处理后通过SEM，XRD，Raman等分析手段对其进行表征。
可以观察到，实施例1-3制备的SnO2/非晶碳纳米复合材料进一步改善了材料的团聚现象,仍存在部分呈现出独立的小球状形貌(图2(c))。X射线衍射图谱(图3)显示位于12.5度位置的特征峰强度显著减弱，表明材料中非晶碳组分的碳化程度有所减弱。拉曼光谱图(图4)中D峰与G峰强度的比值变大，同样可以证明该实施例制备的复合材料非碳组分的碳化程度低。
实施例2、SnO2/非晶碳纳米复合材料的电化学储钠性能测试
将实施例1制得的SnO2/非晶碳纳米复合材料作为电池的负极材料，与Super P炭黑和PVDF以75:15:10wt％的比例混合，用NMP溶剂调成膏状，涂覆在铜箔表面。待真空干燥后，将涂层铜箔切割为直径15mm的圆片。以该圆片作为钠离子电池负极，选择钠离子电池用电解液(EC:PC＝1:1，NaClO4浓度为1mol/L)和金属钠箔片作为对电极，在氩气保护手套箱中组装成RC2032型纽扣电池，在Neware BTS电池测试系统进行恒电流充放电测试。测试参数为:充放电速率20mA/g，充放电电位从0.05-3V，执行循环 50次。结合电池的放电比容量—循环次数图谱得知(图5)，实施例1-2所制备的SnO2/ 非晶碳纳米复合材料表现出的储锂容量和循环寿命(在充放电速率为20mA/g的情况下，循环50次后仍然可保持约507mAh/g的比容量)已经表现出了最佳的性能。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明项目并非仅限于上述实施例，只要符合本发明项目的制备要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
A.将葡萄糖和SnO2醇溶胶混合制成复合前驱体，置于三口反应容器中；其中葡萄糖与SnO2醇溶胶的质量比为(1:10)～(1:15)；
B.将步骤A中得到的复合前驱体利用压电陶瓷超声雾化器产生复合前驱体气雾；通入惰性气体，将复合前驱体气雾从三口反应容器中引出；
C.将步骤B中引出的复合前驱体气雾通入预热至1100～1200℃的石英管式炉中，利用热源促使复合前驱体气雾在线裂解转换成SnO2/非晶碳纳米复合材料；
D.在石英管的末端对纳米颗粒进行收集，获得SnO2/非晶碳纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法，其特征在于所述的SnO2醇溶胶采用四氯化锡、乙醇作为原料，配制成透明澄清的溶胶溶液，四氯化锡与乙醇的质量比为(1：15)～(1:20)。
3.如权利要求1所述的一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法，其特征在于步骤B所述的惰性气体选用纯度为99.9％以上的高纯氩气。
4.如权利要求1所述的一种加热复合前驱气雾制备SnO2/非晶碳纳米复合材料的方法，其特征在于步骤B所述的惰性气体流速在0.5～4L/min。
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