CN110255616B - 一种超高压制备超薄纳米片状nh4v3o8纳米材料的方法 - Google Patents

一种超高压制备超薄纳米片状nh4v3o8纳米材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，步骤1：将氯化1‑甲基‑3‑乙基咪唑加入到水中溶解，再加入乙二胺四乙酸形成混合溶液；步骤2：向混合溶液中加入溶剂后再加入NH4VO3并溶解得NH4VO3溶液；步骤3：将NH4VO3溶液在微波发生器中微波处理；步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至反应釜中并置于超高压水热反应器中水热反应，得悬浮液；步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体清洗后干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料；其制备的片状NH4V3O8纳米材料用作锂离子电池正极材料时具有循环稳定性高，大电流充放电容量高的特点。

Description

一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料制备技术领域，涉及一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高，能量密度大，循环寿命长以及无自放电的特点。随着社会的发展，对于锂离子电池性能要求也越来越高，目前的电池容量小，功率低，比如在电力驱动的新能源汽车，对于充电速度、续航里程以及成本因素要求在逐年提升，因此目前急需要开发具有高容量、高电流密度、高功率的锂离子电池。
钒是一种过渡金属中的多价金属元素，可以与氧或者其他阳离子与氧形成氧化物和复合氧化物，理论上具有嵌锂能力，如V2O5、LiV3O8等都可以作为锂离子电池的正极材料。钒酸铵具有原材料丰富、制备简单、容量高安全性能好等特点，同时也具有光催化特性，电传导性能，储锂、储钠性能。与钒酸锂材料相比，钒酸铵材料由于NH4 +的引入，扩大了材料的层间距，同时由于氢离子的存在会形成分子内氢键，有效提高了材料结构的稳定性，是一种具有好的发展前景的正极材料。同时凭借独特的结构和电子输送特性，还可以应用于超级电容器材料、传感器材料和纳米电子器件，具有非常广泛的应用和研究前景。
目前通过微波法、微波-紫外辅助、微波-超声以及水热溶剂热等方法成功制备出了纳米花状、三维网状、卡片装、带状、棒状等形貌的钒酸铵，但是对于片状的钒酸铵合成超薄的纳米片目前还没有被报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其制备的片状NH4V3O8纳米材料用作锂离子电池正极材料时具有循环稳定性高，大电流充放电容量高的特点。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.05～0.2g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到5～10mL水中溶解，再加入0.05～0.1g乙二胺四乙酸形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入5～10mL溶剂后再加入0.3～0.5g的NH4VO3并溶解得NH4VO3溶液；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波发生器中微波处理；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至反应釜中并置于超高压水热反应器中在140～180℃下水热反应，得悬浮液；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体清洗后干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料。
进一步的，步骤2中溶剂为体积分数为0～100％的有机溶剂，有机溶剂包括乙醇、乙二醇、丙三醇、甲醇的一种或多种。
进一步的，步骤2中溶解的过程中加热溶剂至30～60℃。
进一步的，步骤3中微波发生器为微波炉，微波炉功率为500～700W，微波处理时间为2～5min。
进一步的，步骤4中超高压水热反应器中压强为3～5MPa，水热反应时间为3～8h。
进一步的，步骤4中反应釜的内衬为聚四氯乙烯。
进一步的，步骤5中粉状体清洗为交替使用去离子水和丙酮进行清洗。
进一步的，步骤5中干燥的温度为50～80℃，干燥的时间为5～10h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其制备出的超薄纳米片状NH4V3O8晶体作作锂离子电池正极材料时，与纳米花状、三维网状、卡片装、带状、棒状等形貌的钒酸铵晶体相比，钒酸铵的纳米片能够增加纳米颗粒之间的有效连接，改善电子的传导；同时其还具有更大的比表面积，增加了Li+脱嵌位点和扩散通道，其还具有更短的扩散路径，能够缓冲锂离子在充放电过程中体积的变化；另外本发明中所加入的氯化1- 甲基-3-乙基咪唑和乙二胺四乙酸，在电化学反应时能够提高电化学窗口，因此本发明所制备的超薄纳米片状NH4V3O8晶体作锂离子电池正极材料时，具有循环稳定性高，大电流充放电容量高的特点，而且其制备工艺简单，制备过程环保。
附图说明
图1为实施例1所制备的超薄纳米片状NH4V3O8晶体的XRD图谱；
图2为实施例1所制备的超薄纳米片状NH4V3O8晶体的SEM照片；
图3为图2的局部图。
具体实施方式
下面给出具体的实施例。
实施例1
一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.08g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到10mL水中溶解，再加入0.05g乙二胺四乙酸搅拌形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入5mL体积分数为50％的乙二醇后再加入0.3g 的NH4VO3并加热使NH4VO3充分溶解得NH4VO3溶液；其中，加热温度为 50℃；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波炉中微波处理3min；其中，微波炉功率为500W；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至内衬为聚四氯乙烯的反应釜中并置于微型超高压水热反应器中在140℃下水热反应6h，得悬浮液；其中，微型超高压水热反应器中压强为5MPa；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体交替使用去离子水和丙酮进行清洗三次后在真空环境中干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料；其中，干燥的温度为50℃，干燥的时间为10h。
如图1所示，本发明制得的超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的结晶性好，纯度高，与PDF编号为88-1473的NH4V3O8特征峰一一对应；如图2和图3 所示，本发明所制备的超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料是由纳米片堆积而成的形貌，结构疏松，层间距较小，产物均一性较好，这种结构有利于与电解液的充分接触，提高大电流充放电性能。
实施例2
一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.15g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到10mL水中溶解，再加入0.1g乙二胺四乙酸搅拌形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入10mL体积分数为50％的丙三醇后再加入0.5g 的NH4VO3并加热使NH4VO3充分溶解得NH4VO3溶液；其中，加热温度为 40℃；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波炉中微波处理4min；其中，微波炉功率为600W；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至内衬为聚四氯乙烯的反应釜中并置于微型超高压水热反应器中在150℃下水热反应4h，得悬浮液；其中，微型超高压水热反应器中压强为3MPa；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体交替使用去离子水和丙酮进行清洗三次后在真空环境中干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料；其中，干燥的温度为60℃，干燥的时间为9h。
实施例3
一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.2g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到10mL水中溶解，再加入 0.1g乙二胺四乙酸搅拌形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入6mL体积分数为50％的甲醇后再加入0.43g 的NH4VO3并加热使NH4VO3充分溶解得NH4VO3溶液；其中，加热温度为 30℃；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波炉中微波处理2min；其中，微波炉功率为700W；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至内衬为聚四氯乙烯的反应釜中并置于微型超高压水热反应器中在170℃下水热反应5h，得悬浮液；其中，微型超高压水热反应器中压强为4MPa；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体交替使用去离子水和丙酮进行清洗三次后在真空环境中干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料；其中，干燥的温度为70℃，干燥的时间为7h。
实施例4
一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.1g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到10mL水中溶解，再加入 0.06g乙二胺四乙酸搅拌形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入9mL体积分数为50％的乙醇后再加入0.5g 的NH4VO3并加热使NH4VO3充分溶解得NH4VO3溶液；其中，加热温度为 50℃；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波炉中微波处理5min；其中，微波炉功率为500W；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至内衬为聚四氯乙烯的反应釜中并置于微型超高压水热反应器中在180℃下水热反应6h，得悬浮液；其中，微型超高压水热反应器中压强为5MPa；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体交替使用去离子水和丙酮进行清洗三次后在真空环境中干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料；其中，干燥的温度为80℃，干燥的时间为5h。
实施例5
一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.05g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到10mL水中溶解，再加入0.05g乙二胺四乙酸搅拌形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入8mL体积分数为100％的丙三醇后再加入0.3g 的NH4VO3并加热使NH4VO3充分溶解得NH4VO3溶液；其中，加热温度为 40℃；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波炉中微波处理3min；其中，微波炉功率为700W；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至内衬为聚四氯乙烯的反应釜中并置于微型超高压水热反应器中在140℃下水热反应8h，得悬浮液；其中，微型超高压水热反应器中压强为4MPa；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体交替使用去离子水和丙酮进行清洗三次后在真空环境中干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料；其中，干燥的温度为60℃，干燥的时间为8h。
实施例6
一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.2g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到5mL水中溶解，再加入 0.08g乙二胺四乙酸搅拌形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入10mL水后再加入0.4gNH4VO3并加热使 NH4VO3充分溶解得NH4VO3溶液；其中，加热温度为60℃；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波炉中微波处理4min；其中，微波炉功率为600W；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至内衬为聚四氯乙烯的反应釜中并置于微型超高压水热反应器中在170℃下水热反应3h，得悬浮液；其中，微型超高压水热反应器中压强为3MPa；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体交替使用去离子水和丙酮进行清洗三次后在真空环境中干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料；其中，干燥的温度为80℃，干燥的时间为6h。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将0.05～0.2g氯化1-甲基-3-乙基咪唑加入到5～10mL水中溶解，再加入0.05～0.1g乙二胺四乙酸形成混合溶液；
步骤2：向混合溶液中加入5～10mL溶剂后再加入0.3～0.5g的NH4VO3并溶解得NH4VO3溶液；
步骤3：将NH4VO3溶液在微波发生器中微波处理；
步骤4：将微波处理后的NH4VO3溶液转至反应釜中并置于压强为3～5MPa的水热反应器中在140～180℃下水热反应，得悬浮液；
步骤5：对悬浮液离心分离得粉状体，将粉状体清洗后干燥，得超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料。
2.根据权利要求1所述的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤2中溶剂为体积分数为0～100％的有机溶剂，有机溶剂包括乙醇、乙二醇、丙三醇、甲醇的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤2中溶解的过程中加热溶剂至30～60℃。
4.根据权利要求1所述的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤3中微波发生器为微波炉，微波炉功率为500～700W，微波处理时间为2～5min。
5.根据权利要求1所述的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤4中水热反应时间为3～8h。
6.根据权利要求1所述的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤4中反应釜的内衬为聚四氯乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤5中粉状体清洗为交替使用去离子水和丙酮进行清洗。
8.根据权利要求1所述的一种超高压制备超薄纳米片状NH4V3O8纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤5中干燥的温度为50～80℃，干燥的时间为5～10h。
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