CN112164772B - 一种锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料的制备方法:(1)取六氰合铁酸钾溶解于去离子水中,超声至红色颗粒完全溶解;随后加入的聚乙烯吡咯烷酮,超声溶解,将上述溶液置于鼓风烘箱中反应,离心、水洗、干燥得到蓝黑色前驱体粉末;(2)取水溶性锑盐溶于去离子水中,随后取上述蓝黑色前驱体粉末加入到该溶液中,水浴搅拌、离心、水洗、干燥得到蓝色反应产物;(3)取上述蓝色反应产物分散于盐酸多巴胺水溶液中,超声、冷冻干燥后得到蓝灰色粉末后将其转移到氩氢混合气氛中还原反应得到黑色最终反应产物,收集得到锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料。本发明还提供了该材料作为钾离子电池负极材料的应用。
Description
技术领域
本发明属于钾离子电池电极材料制备技术领域,具体涉及一种锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料的制备方法和应用。
背景技术
由于地壳中的钾(K)含量较高(钾含量为1.5%,锂含量为0.0017%),论自然含量丰富性K明显优于锂,并且在锂离子电池(LIBs)中K/K+与Li/Li+的氧化还原电势接近,使得钾离子电池(PIBs)被认为是一种低成本的能量存储系统。虽然将K+嵌入石墨负极有助于PIBs的实际开发,但是该方法获得的容量通常小于250mAh g-1。基于转化合金/反应的负极材料往往具有更高的理论比容量。锑(Sb)单质作为合金反应型钾离子电池负极材料,具有高达660mAh g-1的理论比容量,但由于K+的尺寸比Li+大得多,在实际PIBs中,基于合金化反应的Sb金属负极的粉碎问题尤为严重。所以高性能PIBs中稳定的基于Sb单质基负极的主要挑战是在重复插入/提取K+期间,缓冲不可避免的体积膨胀并保持结构完整性。其中,有学者提出基于转化/合金负极的表面覆盖一层导电碳的刚性涂层,可以降低界面电阻并改善整体电子导电性。但是,由于插入大量的K+而引起很大的体积变化,使得碳层开裂和结构破坏,进而导致电化学性能下降。二维(2D)材料限域的方法有助于提高电子导电性和维持电极的整体性,但是阻止不了被限制的转化/合金负极材料的粉化。为了实现大体积变化电极材料的稳健性和高结构稳定性,将导电封装和2D材料限域结合可能是一种有效的策略。
本发明提供了一种锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料的制备方法,主要内容和创新点如下:本发明利用Sb3+和前驱体Fe3+的离子交换反应,将Sb3+封装到前驱体中,随后包覆碳,最后通过气相还原将Sb3+还原为Sb单质并封装在普鲁士蓝框架之中,制备了一种形貌可控,尺寸均匀的纳米复合材料,该复合材料中Sb单质能提供可观的比容量,碳和普鲁士蓝框架能为Sb单质提供抑制体积效应的可靠屏障,此外,纳米颗粒表面紧密包覆的碳可以提高整个材料的电子导电性,所得到的材料具有较高的容量、优越的倍率性能和循环性能,特别适合作为钾离子二次电池的负极材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料的制备方法
为达成上述目的,本发明采用三步法制备一种锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料,即(S1)制备纳米颗粒前驱体;(S2)制备封装了Sb3+的前驱体纳米颗粒;(S3)锑单质/普鲁士蓝框架@碳。
S1、取六氰合铁酸钾溶解于去离子水中,超声至红色颗粒完全溶解;随后加入的聚乙烯吡咯烷酮,超声溶解,将上述溶液置于60-90℃的鼓风烘箱中反应1-24小时,离心水洗(3-4次)后置于60℃烘箱干燥12小时蓝黑色前驱体粉末;
S2、取水溶性锑盐溶于去离子水中制得水溶性锑盐溶液,随后取上述蓝黑色前驱体粉末加入到该溶液中,40-80℃水浴搅拌1-24小时、离心水洗(3-4次)、后置于60℃烘箱干燥12小时后得到蓝色反应产物;
S3、取上述蓝色反应产物分散于质量百分数20%的盐酸多巴胺水溶液中,超声分散两小时、冷冻干燥24小时后得到蓝灰色粉末,随后将其转移到氩氢混合气氛的管式炉中在400-800℃下进行1-12小时的还原反应,升温速度为2-5℃/min,待冷却后收集得到黑色最终反应产物即锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料。本发明还提供了该材料作为钾离子电池负极材料的应用。
优选地,步骤S2中所述水溶性锑盐为氯化锑、氟化锑、醋酸锑中的一种或几种。
优选地,步骤S1中所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为8000~1300000。
优选地,在步骤S1中所述六氰合铁酸钾和聚乙烯吡咯烷酮的质量比1:1~1:20。
优选地,步骤S2中所述水溶性锑盐与黑色前驱体粉末的质量比1:0.1~1:2。
优选地,步骤S3中所述盐酸多巴胺溶液与蓝色反应产物的质量比1:0.1~1:2。
附图说明
图1是实施实例1中制备的锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料的XRD图谱;
图2是实施实例1中制备的锑单质/普鲁士蓝框架复合电极材料前驱体的SEM图;
图3是实施实例1中制备的锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料的SEM图;
图4是实施实例1中制备的锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料电流密度为0.5A g-1时的循环性能图;
图5是实施实例2中制备的锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料电流密度为0.05-2Ag-1时的倍率性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
取1mmol六氰合铁酸钾溶解于100mL去离子水中,超声1小时至红色颗粒完全溶解;随后加入1g分子量为130000的聚乙烯吡咯烷酮,超声1小时至完全溶解,将上述溶液置于80℃的鼓风烘箱中反应12小时,离心水洗(3-4次)后置于60℃烘箱干燥12小时蓝黑色前驱体粉末;取2mmol氟化锑溶于100ml去离子水中制得氟化锑溶液,随后取上述蓝黑色前驱体粉末0.1g加入到该溶液中,60℃水浴搅拌12小时,离心水洗(3-4次)后置于60℃烘箱干燥12小时后得到蓝色反应产物;取上0.1g述蓝色反应产物分散于100mL质量百分数20%的盐酸多巴胺水溶液中,超声分散2小时、冷冻干燥24小时后得到蓝灰色粉末,随后将0.1g该粉末转移到氩氢混合气氛的管式炉中在500℃下进行8小时的还原反应,升温速度为5℃/min,待冷却后收集得到黑色最终反应产物即锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料。其XRD图谱如图1所示,与标准PDF卡片对比后可显示该方法合成的材料可以与锑单质匹配良好。其前驱体和最终材料的扫描电镜图如图2和图3所示,显示出其规则的纳米小球形貌,且最终产物碳包覆紧密。图4为电流密度为0.5A g-1下的倍率性能图,由图可知复合材料在电流密度比容量为0.5A g-1时容量高达150mAh g-1,500次循环后仍可保持145mAh g-1,证明本发明提供的方法能够明显改善Sb单质的循环性能。
实施例2
取2mmol六氰合铁酸钾溶解于100mL去离子水中,超声1小时至红色颗粒完全溶解;随后加入1.5g分子量为45000的聚乙烯吡咯烷酮,超声1小时至完全溶解,将上述溶液置于60℃的鼓风烘箱中反应24小时,离心水洗(3-4次)后置于60℃烘箱干燥12小时蓝黑色前驱体粉末;取1mmol乙酸锑溶于100mL去离子水中制得乙酸锑溶液,随后取上述蓝黑色前驱体粉末0.1g加入到该溶液中,80℃水浴搅拌24小时,离心水洗(3-4次)后置于60℃烘箱干燥12小时后得到蓝色反应产物;取上述蓝色反应产物0.1g分散于80mL质量百分数20%的盐酸多巴胺水溶液中,超声分散2小时、冷冻干燥24小时后得到蓝灰色粉末,随后将0.1g该粉末转移到氩氢混合气氛的管式炉中在800℃下进行4小时的还原反应,升温速度为2℃/min,待冷却后收集得到黑色最终反应产物即锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料。图5为电流密度为0.05-2A g-1下的倍率性能图,由图可知复合材料在电流密度比容量为2A g-1时容量高达175mAh g-1,倍率性能良好。
实施例3
取1mmol六氰合铁酸钾溶解于100mL去离子水中,超声1小时至红色颗粒完全溶解;随后加入1g分子量为8000的聚乙烯吡咯烷酮,超声1小时至完全溶解,将上述溶液置于75℃的鼓风烘箱中反应12小时,离心水洗(3-4次)后置于60℃烘箱干燥12小时蓝黑色前驱体粉末;取2mmol氯化锑于100ml去离子水中制得氯化锑溶液,随后取上述蓝黑色前驱体粉末0.1g加入到该溶液中,50℃水浴搅拌12小时,离心水洗(3-4次)后置于60℃烘箱干燥12小时后得到蓝色反应产物;取上述蓝色反应产物分散于质量百分数20%的盐酸多巴胺水溶液中,超声分散2小时、冷冻干燥24小时后得到蓝灰色粉末,随后将0.1g该粉末转移到氩氢混合气氛的管式炉中在600℃下进行3小时的还原反应,升温速度为4℃/min,待冷却后收集得到黑色最终反应产物即锑单质/普鲁士蓝框架@碳复合材料。其在0.5A g-1时容量高达160mAh g-1,500次循环后容量保持率为98.7%,在2A g-1的大倍率充放电下的比容量高达185mAh g-1。
Claims (8)
1.一种锑单质@碳复合材料的制备方法,包含以下步骤:
S1、取六氰合铁酸钾溶解于去离子水中,超声至红色颗粒完全溶解;随后加入聚乙烯吡咯烷酮,超声溶解,将所得溶液置于60-90℃的鼓风烘箱中反应1-24小时,离心水洗3-4次后置于60℃烘箱干燥12小时蓝黑色前驱体粉末;
S2、取水溶性锑盐溶于去离子水中制得水溶性锑盐溶液,其中所述水溶性锑盐中的锑为+3价,随后取上述蓝黑色前驱体粉末加入到该溶液中,40-80℃水浴搅拌1-24小时、离心水洗3-4次、后置于60℃烘箱干燥12小时后得到蓝色反应产物;
S3、取上述蓝色反应产物分散于20%质量百分数的盐酸多巴胺水溶液中,超声分散两小时、冷冻干燥24小时后得到蓝灰色粉末,随后将其转移到氩氢混合气氛的管式炉中在400-800℃下进行1-12小时的还原反应,升温速度为2-5℃/min,待冷却后收集得到黑色最终反应产物即锑单质@碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特制在于,在步骤S1中,所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为8000~1300000。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特制在于,在步骤S1中,所述六氰合铁酸钾和聚乙烯吡咯烷酮的质量比1:(1~20)。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特制在于,在步骤S2中,所述水溶性锑盐为氯化锑、氟化锑、醋酸锑中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特制在于,在步骤S2中,所述水溶性锑盐与蓝黑色前驱体粉末的质量比1:(0.1~2)。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特制在于,在步骤S3中,所述盐酸多巴胺水溶液与蓝色反应产物的质量比1:(0.1~2)。
7.根据权利要求1~6任一项所述制备方法制得的一种复合材料,其特征在于,该复合材料为锑单质@碳。
8.根据权利要求7所述的复合材料作为钾离子电池负极材料的应用。
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