CN112186164B - 一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料及其制备方法和用途。本发明利以廉价易得的天然蚕丝为原料，通过水热反应和原位反应制备的负载Co纳米颗粒的一维碳纤维复合材料具有良好的电化学性能，在100mA/g的电流密度下，200次循环后，其充放电比容量仍能保留190A h/g以上，库伦效率在99.7％以上。本发明合成方法简单，易于操作，材料制备成本低，设备投资少，适合批量生产。

Description

一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于材料化学领域，具体涉及一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料及其制备方法和用途。
背景技术
锂离子电池能量密度大，平均输出电压高，没有记忆效应，工作温度范围宽为-20～℃60，℃可快速充放电、循环性能优越、充电效率高达100％，而且使用寿命长，输出功率大，几乎不含有毒有害物质，被称为绿色电池。锂离子电池是由正极、隔膜、负极、有机电解液和电池外壳组成。过渡金属族元素是负极材料的重要组成部分，但是其缺点不可忽视：1)过渡金属族材料本征导电性比较差；2)容易在充放电过程中发生较大的体积变化，导致负极材料的粉化；3)块体材料往往在充放电过程中有非常严重的团聚，导致循环性能的变差。过渡金属族材料的改性在结构上主要是使其纳米化，包括零维的纳米颗粒，一维结构的纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带，二维结构的多孔纳米片、纳米板，三维结构的纳米球等。这些独特的结构能促进了电子的传导，缩短了离子的传输路径，缓解了充放电过程材料的体积变化。
蚕丝是一种价格低廉、可持续再生、获取途径方便的天然生物材料。它的微观形貌是一种连续管状结构，是一种天然的一维材料，用蚕丝可以直接对过渡金属族材料进行改性。一般水热法，溶剂热法，静电纺丝等技术制备一维结构不仅需要表面活性剂，还要精确调控溶液的浓度，PH等参数，并且合成过程中会产生大量的废液，增加了废液回收的成本，也可能对环境造成不可恢复的损害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术，提供一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料及其制备方法和用途。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将一定质量的蚕茧置于浓度为0.5～1.0g/L的碳酸钠NaCO3水溶液中，加热回流50min进行脱胶，然后过滤，用蒸馏水清洗3次，随后干燥，得到丝素蛋白纤维；
2)将一定量的丝素蛋白纤维浸泡在浓度为2.0～5.0g/L的草酸钴和3.0g/L的葡萄糖混合水溶液中，室温搅拌30～60min，然后转移到不锈钢反应釜中，120～140℃反应24～48h，自然冷却至室温，过滤，110℃干燥，得到一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料；
所述参加反应的物质均为化学纯。
进一步的，本发明还提供了前述制备方法得到的负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料。
进一步的，本发明还提供了所述负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料的用途，作为锂离子电池负极材料，在100mA/g的电流密度下，充放电循环200次后，其放电比容量仍能保持在190Ah/g以上，库伦效率保持在99.7％以上。
与现有技术相比，本发明所制备的复合材料具有如下特点：
(1)本发明以天然蚕丝为原料，制备工艺简单，所制备的一维复合材料中含有微量的N、S、P等元素，这些元素有利于增强材料的稳定性和导电性，不易发生粉化；(2)在水热反应下，草酸和葡萄糖将钴离子原位还原成钴单质颗粒，并附于纤维材料的表面，能够改变材料的电化学性能；(3)本发明所制备的材料具有良好的电化学性能，其作为锂离子电池负极材料，在100mA/g的电流密度下，充放电循环200次后，其充放电比容量仍能保留在190A h/g以上，库伦效率保持在99.7％以上。
附图说明
图1为本发明制得的碳纤维复合材料的XRD图；
图2为本发明制得的碳纤维复合材料的SEM图；
图3为本发明制得的碳纤维复合材料充放电循环图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
称取5g蚕茧，0.5g/L的碳酸钠水溶液中，加热回流50min进行脱胶，然后过滤，用蒸馏水清洗3次，随后干燥，得到丝素蛋白纤维；将2g丝素蛋白纤维浸泡在浓度为2.0g/L的草酸钴和3.0g/L的葡萄糖混合水溶液中，室温搅拌30min，然后转移到不锈钢反应釜中，120℃反应48h，自然冷却至室温，过滤，110℃干燥，得到一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料。将得到的碳纤维复合材料产品进行粉末X射线衍射(XRD)测试，进行组成结构分析(图1)；用扫描电镜(SEM)观测其形貌，结果显示一维碳纤维复合材料表面负载钴纳米颗粒(图2)；将得到的负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试分析，在100mA/g的电流密度下，充放电循环200次后，其充放电比容量仍能保留在190A h/g以上，库伦效率保持在99.7％以上(图3)。
实施例2
称取5g蚕茧，1.0g/L的碳酸钠水溶液中，加热回流50min进行脱胶，然后过滤，用蒸馏水清洗3次，随后干燥，得到丝素蛋白纤维；将3g丝素蛋白纤维浸泡在浓度为5.0g/L的草酸钴和3.0g/L的葡萄糖混合水溶液中，室温搅拌60min，然后转移到不锈钢反应釜中，140℃反应24h，自然冷却至室温，过滤，110℃干燥，得到一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料。用粉末X射线衍射、扫描电镜测试材料的组成结构和形貌；用蓝电系统等测试材料的电化学性能。
实施例3
称取5g蚕茧，0.8g/L的碳酸钠水溶液中，加热回流50min进行脱胶，然后过滤，用蒸馏水清洗3次，随后干燥，得到丝素蛋白纤维；将2g丝素蛋白纤维浸泡在浓度为3.5g/L的草酸钴和3.0g/L的葡萄糖混合水溶液中，室温搅拌45min，然后转移到不锈钢反应釜中，130℃反应36h，自然冷却至室温，过滤，110℃干燥，得到一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料。用粉末X射线衍射、扫描电镜测试材料的组成结构和形貌；用蓝电系统等测试材料的电化学性能。

Claims (1)

1.一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料的用途，其特征在于，所述负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)将一定质量的蚕茧置于浓度为0.5～1.0g/L的碳酸钠NaCO3水溶液中，加热回流50min进行脱胶，然后过滤，用蒸馏水清洗3次，随后干燥，得到丝素蛋白纤维；
2)将一定量的丝素蛋白纤维浸泡在浓度为2.0～5.0g/L的草酸钴CoC2O4和3.0g/L的葡萄糖混合水溶液中，室温搅拌30～60min，然后转移到不锈钢反应釜中，120～140℃反应24～48h，自然冷却至室温，过滤，110℃干燥，得到一种负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料；
参加反应的物质均为化学纯；
所述的负载Co纳米颗粒的碳纤维复合材料作为锂离子电池负极材料，在100mA/g的电流密度下，200次循环后，其充放电比容量仍能保留190Ah/g以上，库伦效率在99.7％以上。
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