CN110707305B - 一种锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法及其产品与应用 - Google Patents

一种锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法及其产品与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锑/碳量子点纳米复合材料及其产品与应用，包括以下步骤：将电化学电解的方法得到碳量子点溶液进行干燥，得到碳量子点粉末；接着将碳量子点粉末放入醇类有机溶液中超声分散，分散均匀后，向分散液中加入硼氢化钠搅拌溶解后，得到A液；将可溶性锑盐溶解于醇类有机溶液，搅拌状态下，然后滴加A液，滴加完毕后，继续搅拌至反应完全，在然后将反应液离心烘干后，得到纳米复合材料。本发明采用碳量子点为碳源，可有效缩小锑颗粒尺寸，增加材料的比表面积、活性位点；且碳量子点均匀分散在锑颗粒之间，有利于提高导电性、缓解体积膨胀。本发明合成的纳米复合材料粒径均匀，将其应用于钠离子电池负极可表现出优异的化学性能。

Description

一种锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法及其产品与应用
技术领域
本发明属于钠离子电池及其制备技术领域，具体涉及一种锑/碳量子点纳米复合材料及其产品与应用。
背景技术
在过去的几十年中，锂离子电池一直是最有前途的电动/混合动力电动汽车和便携式设备的储能设备。但是，由于锂资源有限，钠离子电池受到了广泛关注。然而，比Li+半径大的特性严重影响了Na+动力学。例如，商用石墨在碳酸盐电解质中显示出较低的钠储存容量。
在已被报道的钠离子负极材料体系当中，金属及合金类材料被认为是最具有前景的负极材料并得到了广泛关注。与其他材料相比，其具有高的理论比容量，但是该类电极材料在合金化/去合金化过程中产生巨大的体积变化，这使得电极材料极易粉化，造成容量衰减、循环不稳定等问题。最近，锑作为合金类负极材料的一种，也引起了人们的关注，锑作为钠离子负极材料时具有较高的理论容量(660mAh g-1)，适当的氧化还原电位(0.5-0.8Vvs.Na+/Na)和较高的电子电导率(2.56×106S/m)，然而，其在合金化反应过程中有明显的体积膨胀(高达390％)并且，缓慢的动力学也导致较差的循环稳定性。
目前，为了解决锑在合金化反应过程中，明显的体积膨胀，大都采用碳材对其进行包覆，例如专利号为201510328522.9“一种钠离子电池蛋黄-蛋壳结构锑/碳负极复合材料的制备方法”通过对锑的二氧化硅和碳材料的包覆，缓解了锑的体积膨胀，但是这种方法工艺复杂，成本较高，且制备的锑尺寸在50～150nm，尺寸较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单，锑尺寸小，且可缓解锑体积膨胀的锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法及其产品与应用。
本发明这种锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将电化学电解的方法得到碳量子点溶液进行干燥，得到碳量子点粉末；接着将碳量子点粉末放入醇类有机溶液中超声分散，分散均匀后，向分散液中加入硼氢化钠搅拌溶解后，得到A液；
2)将可溶性锑盐溶解于醇类有机溶液，搅拌状态下，然后滴加步骤1)中制备的A液，滴加完毕后，继续搅拌至反应完全，在然后将反应液离心烘干后，得到锑/碳量子点纳米复合材料。
所述步骤1)中，碳量子点在醇类有机溶剂中的浓度为1～5g/L；优选的，该浓度为2～4g/L，进一步的优选为4g/L；所述的醇类有机溶剂为甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或几种，优选为乙醇；硼氢化钠在醇类有机溶剂中的浓度为6～10g/L。
所述步骤1)中，超声温度为20～100℃，优选超声温度范围25～60℃，进一步优选超声温度为30℃；所述超声时间为0.5～10h，优选超声时间为1～5h，进一步优选超声时间为2h。
所述步骤2)中，步骤1)中的硼氢化钠与可溶性锑盐的质量比为(5～1):1，硼氢化钠与可溶性锑盐的质量比优选为(3～1):1，进一步优选为2:1；可溶性锑盐为三氯化锑、硝酸锑、硫酸锑中的一种或几种，优选可溶性锑盐为三氯化锑；可溶性锑盐在醇类有机溶剂中的浓度为1～5mmol/L，优选浓度为2～4mmol/L，进一步优选为3.5mmol/L；所述的醇类有机溶剂为甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或几种，优选为乙醇。
所述步骤2)中，搅拌温度为20～80℃，搅拌时间为1h～10h；优选搅拌温度为20～50℃，搅拌时间为1h～5h，进一步优选搅拌温度为30℃，搅拌时间为3h。
根据上述的制备方法制备得到锑/碳量子点纳米复合材料。
所述的锑/碳量子点纳米复合材料在钠离子电池中的应用。
本发明的有益效果：1)本发明采用一步还原法合成，合成方法绿色环保、简单易控。2)本发明采用碳量子点为碳源，可有效缩小锑颗粒尺寸(小于10nm)，增加材料的比表面积、活性位点；且碳量子点均匀分散在锑颗粒之间，有利于提高导电性、缓解体积膨胀。3)本发明合成的锑/碳量子点纳米复合材料粒径均匀，粒径大小可控制在纳米尺度，将其应用于钠离子电池负极可表现出优异的化学性能。
附图说明
图1实施例1的锑/碳量子点纳米复合材料的XRD图；
图2实施例1的锑/碳量子点纳米复合材料的扫描图片；
图3实施例1的锑/碳量子点纳米复合材料的透射电镜图片；
图4实施例1的锑/碳量子点纳米复合材料的循环性能图片；
图5实施例2的锑/碳量子点纳米复合材料的扫描图片；
图6实施例3的锑/碳量子点纳米复合材料的扫描图片；
图7对比例1的单质锑材料的扫描图片。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
将1.0g氢氧化钠添加到10ml去离子水中，用150ml乙醇进行稀释，使用深圳市鼎阳科技有限公司生产的三路高精度稳压电源电解，设定电压约为20V，电解时间设为24小时，之后将电解得到的胶体蒸干，即获得碳量子点。
将0.2g碳量子点加入到50ml乙醇中，30℃下超声2h，超声后加0.4g硼氢化钠搅拌均匀，得到A溶液；将0.8g三氯化锑加入到50ml乙醇中搅拌均匀后缓慢滴加上述A溶液，边滴加边搅拌，搅拌温度为30℃，搅拌时间为3h；将所得产物离心分离并用乙醇和蒸馏水清洗，然后在恒温箱中60℃下烘干12h，得到锑/碳量子点纳米复合材料。
采用日本D/max-2500型X射线衍射分析仪对复合材料进行物相分析，所得结果如图1所示。
采用美国FEI公司Nova NanoSEM 230扫描电镜对复合材料进行形貌表征，可发现锑/碳量子点纳米复合材料尺寸均匀，纳米颗粒的直径为7nm左右，所得结果图2所示。采用日本JEOL JEM-2100F透射电镜进一步观察样品内部结构，可发现碳量子点分散在锑颗粒之间，如图3所示(图3中里面是铜网破了吧，图中小颗粒是制备的复合材料)。将制得的锑/碳量子点纳米复合材料按照活性材料80wt.％、CMC 10wt.％、SuperP 10wt.％制成浆料，均匀涂覆在一定厚度的铜箔上，待烘干后组装成扣式钠离子电池，进行电化学性能测试。循环性能测试电压范围为0.01～2V，电流密度为100mA g-1。其循环性能结果如图4所示，初始放电比容量为733mAh g-1，第2圈放电比容量为616mAh g-1，且此后较为稳定，循环120圈后，其放电比容量为587mAh g-1，容量保持率为95.3％(相较于第2圈)。
实施例2
将1.0g氢氧化钠添加到10ml去离子水中，用150ml乙醇进行稀释，使用深圳市鼎阳科技有限公司生产的三路高精度稳压电源电解，设定电压约为20V，电解时间设为24小时，之后将电解得到的胶体蒸干，即获得碳量子点。
将0.1g碳量子点加入到50ml乙醇中，30℃下超声2h，超声后加0.4g硼氢化钠搅拌均匀，得到A溶液，将0.8g三氯化锑加入到50ml乙醇中搅拌均匀后缓慢滴加A溶液，边滴加边搅拌，搅拌温度为30℃，搅拌时间为3h，将所得产物离心分离并用乙醇和蒸馏水清洗，然后在恒温箱中60℃下烘干12h，得到锑/碳量子点纳米复合材料。
采用美国FEI公司Nova NanoSEM 230扫描电镜对本实施例制备的产品进行形貌表征，可发现锑/碳量子点纳米复合材料尺寸均匀，所得结果图5所示。
实施例3
将1.0g氢氧化钠添加到10ml去离子水中，用150ml乙醇进行稀释，使用深圳市鼎阳科技有限公司生产的三路高精度稳压电源电解，设定电压约为20V，电解时间设为24小时，之后将电解得到的胶体蒸干，即获得碳量子点。
将0.05g碳量子点加入到50ml乙醇中，30℃下超声2h，超声后加0.4g硼氢化钠搅拌均匀，获得A溶液；将0.8g三氯化锑加入到50ml乙醇中搅拌均匀后缓慢滴加A溶液，边滴加边搅拌，搅拌温度为30℃，搅拌时间为3h，将所得产物离心分离并用乙醇和蒸馏水清洗，然后在恒温箱中60℃下烘干12h，得到锑/碳量子点纳米复合材料。
采用美国FEI公司Nova NanoSEM 230扫描电镜对本实施例制备的产品进行形貌表征，可发现锑/碳量子点纳米复合材料尺寸均匀，所得结果图6所示。
对比例1
50ml乙醇中加0.4g硼氢化钠搅拌均匀。将0.8g三氯化锑加入到50ml乙醇中搅拌均匀后缓慢滴加上述溶液，边滴加边搅拌，搅拌温度为30℃，搅拌时间为3h，将所得产物离心分离并用乙醇和蒸馏水清洗，然后在恒温箱中60℃下烘干12h，得到锑纳米粒子。
采用美国FEI公司Nova NanoSEM 230扫描电镜对锑纳米粒子进行形貌表征，其结果图7所示，与实施例1～3相比，不加入碳量子点作为制备的锑纳米粒子，尺寸明显增加。这是由于在形核初期，碳量子点在溶液中可以作为锑单质的形核剂，使锑单质可以均匀分散的形核长大，在长大过程中，碳量子点又可以作为分隔剂，将锑颗粒分隔开有效阻止颗粒的团聚。

Claims (7)

1.一种锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）将电化学电解的方法得到碳量子点溶液进行干燥，得到碳量子点粉末；接着将碳量子点粉末放入醇类有机溶液中超声分散，分散均匀后，向分散液中加入硼氢化钠搅拌溶解后，得到A液；
2）将可溶性锑盐溶解于醇类有机溶液，搅拌状态下，然后滴加步骤1）中制备的A液，滴加完毕后，继续搅拌至反应完全，再然后将反应液离心烘干后，得到锑/碳量子点纳米复合材料，其中，锑颗粒尺寸小于10nm，碳量子点均匀分散在锑颗粒之间；
所述步骤1）中，碳量子点在醇类有机溶液中的浓度为1~5g/L，所述的醇类有机溶液为甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或几种，硼氢化钠在醇类有机溶液中的浓度为6~10g/L；超声温度为20~100℃；所述超声时间为0.5~10h；
所述步骤2）中，步骤1）中的硼氢化钠与可溶性锑盐的质量比为(5~1):1；可溶性锑盐为三氯化锑、硝酸锑、硫酸锑中的一种或几种；可溶性锑盐在醇类有机溶液中的浓度为1~5mmol/L，所述的醇类有机溶液为甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或几种，搅拌温度为20~80℃，搅拌时间为1~10h。
2.根据权利要求1所述的锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法，其特征在于，
碳量子点在醇类有机溶液中的浓度为2~4 g/L，醇类有机溶液为乙醇；超声温度范围25~60℃；超声时间为1~5h。
3.根据权利要求1所述的锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法，其特征在于，
碳量子点在醇类有机溶液中的浓度为4g/L；超声温度为30℃；超声时间为2h。
4.根据权利要求1所述的锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中的硼氢化钠与可溶性锑盐的质量比为(3~1):1；可溶性锑盐为三氯化锑；可溶性锑盐在醇类有机溶液中的浓度为2~4 mmol/L；醇类有机溶液为乙醇；搅拌温度为20~50℃，搅拌时间为1~5h。
5.根据权利要求4所述的锑/碳量子点纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中的硼氢化钠与可溶性锑盐的质量比为2:1；可溶性锑盐在醇类有机溶液中的浓度为3.5mmol/L；搅拌温度为30℃，搅拌时间为3h。
6.根据权利要求1所述的制备方法制备得到锑/碳量子点纳米复合材料。
7.根据权利要求6所述的锑/碳量子点纳米复合材料在钠离子电池中的应用。
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