CN113594457A - 锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属纳米复合材料技术领域，具体涉及一种锑金属‑羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法及应用。本发明主要为了解决钠离子电池的高成本，低密度以及在高电流密度下排放能力差的问题，存在体积膨胀较大的问题。通过石墨烯的羧化并且与锑的结合制备了一种能够改善钠离子电池电容性能、提高钠离子电池稳定性的纳米复合材料。本发明的制备方法工艺简单，操作方便，成本投入低，所制备的锑‑羧化石墨烯纳米复合材料相对于纯的锑金属具有较高的比电容量以及较好的循环稳定性和速率性能，本发明制备的材料在钠离子电池领域具有重要的应用价值。

Description

锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法及应用
技术领域
本发明属于金属单质纳米材料技术领域，具体涉及一种锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法及在用作钠离子电池负极材料中的应用。
背景技术
随着当今时代的飞速发展，和科技跨越式的进步，科研人员开始对钠离子电池和锂离子电池进行深入研究。电池在我们的生活当中扮演着重要的角色，锂离子电池凭其安全、绿色、高容量等优点得以广泛应用。但是，目前存在一个问题，锂资源是十分短缺的，如果以目前的消耗速率来看，六十几年以后我们将面临锂资源十分短缺的问题。因此，寻找一个锂的替代品是十分迫切的。钠作为锂的同主族元素，两者物理化学性质相似，并且钠的贮存量极为丰富，钠离子电池有着较高的容量、高的工作效率和循环使用寿命。钠离子电池对解决能源短缺问题起着重要作用，钠离子电池凭其自身储能效果好、资源颇多的优势，完美贴合市场发展。电极材料作为钠离子电池的重要部分，对电极材料的选取会影响到电池的储能和循环寿命。
石墨烯（GO）拥有蜂巢晶格，由于其较大的比表面积、较高的化学稳定性和导电性已经吸引了广泛的关注。金属锑有着电极极化小以及适中的工作电压 0.8-0.9V，同时也具有褶皱层结构独特的良好条件纯的金属锑可以用作钠离子电池的负极材料，金属锑自身具备的优点可以有效的降低电池循环过程中的自热现象以及发生热失控的风险，防止表面生成结晶,这就使得锑可以成为比较安全的电池活性材料。但Sb 基负极材料在一个反复的充电放电过程当中依然有着很多问题，比如1.存在体积膨胀较大的问题。2.晶体的结构容易倒塌，意味着材料的粉化很严重，这进一步导致了电极材料的长时间的循环稳定性下降，容量也会大幅度减少。而纳米多孔结构改良是科研工作者的优先选择。
钠离子电池的充电-放电过程是通过两个电极之间的钠嵌入/脱嵌来实现，于是近年来，GO和金属单质组成的纳米化合物在改善钠插层/脱层方面受到了广泛的关注。文献1（C. Nithya and S. Gopukumar rGO/nano Sb composite: a high performance anodematerial for Na+ ion batteries and evidence for the formation of nanoribbonsfrom the nano rGO sheet during galvanostatic cycling [J]. Journal ofMaterials Chemistry A, 2014, 2，10516.）中的同类材料相比有明显的优势，文献1中以还原石墨烯氧化物RGO与Sb组成材料作为负极组装电池，对其电池性能进行测试，虽然在电容量和转换率方面优于单独的Sb材料和单独的RGO材料，但文献1中石墨烯与Sb的组合纳米带结构稳定性差，因此电池循环稳定性较差。
中国专利申请CN108400298B公开了一种制备钠离子电池用石墨烯负载锑纳米管负极材料的方法。其是用硫化钠作为还原剂去还原锑，再让还原的锑与石墨烯在高温下复合，产物需要进行H2/Ar氛围下退火处理，得到石墨烯负载锑纳米管。此材料具有循环比容量高,库伦效率高,循环性能稳定的优势。但在此方法制备的过程引入硫化物，不环保，使用H2退火处理比较危险。
中国专利申请CN110190265A公开了种锑-三氧化二锑/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法其是以氧化石墨烯、三氧化二锑为原料,在强还原剂作用下通过一步化学还原法合成Sb@Sb2O3/rGO复合材料，该复合材料中Sb和Sb2O3以纳米颗粒形式紧密锚定在rGO片上。该复合材料用作锂/钠离子电池负极材料,其特定的结构不仅可以缓解体积膨胀引起的应力,抑制Sb和Sb2O3颗粒的聚集，还可以提高循环过程中的电子转移能力，从而呈现出优良的电化学储锂/钠性能，在开发具有高电化学性能的锂/钠离子电池新型替代电极材料中具有重要意义但由于此方法合成过程中无法准确调控单质锑的含量。
发明内容
本发明主要解决现有的制备石墨烯和金属单质纳米复合材料的方法存在的工艺复杂，成本高，用于钠离子电池比容量小和循环稳定性低等问题，提供一种锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料。
本发明还提供了上述锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法。
本发明进一步又提供了上述锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料在用作钠离子电池负极材料中的应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锑金属-石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）石墨烯的合成：采用改进Hummers法制备石墨烯；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯加入到无水乙醇中，加完以后搅拌均匀，使石墨烯均匀分散到无水乙醇中；
（3）向步骤（2）得到的体系中加入氢氧化钠和氯乙酸，然后在超声波的作用下搅拌保持一段时间，搅拌完成后，再在室温下将溶液搅拌；
（4）用盐酸酸化步骤（3）所得体系，离心后得到的固体先用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤、干燥后得到羧化的石墨烯AGO；
（5）将 Sb2O3和AGO在蒸馏水中溶解，然后进行回流反应，反应结束后，离心反应液所得固体在饱和酒石酸溶液中继续回流，随后重复上述两步回流操作一次，结束后离心、水洗、醇洗、干燥后得到锑金属-羧化石墨烯Sb@AGO材料。
进一步，所述步骤（3）中，氯乙酸与氢氧化钠的质量比为1:（1-2）。
进一步，所述步骤（3）中将溶液超声搅拌时间为0.1-3h，室温搅拌时间为0.1-72h。
进一步，所述步骤（4）中盐酸浓度为0.01-0.5M，酸化至pH为0.1-5。
进一步，所述步骤（4）中，离心转速大于20000 r min-1，离心时间为1-5min。
进一步，所述步骤（4）中干燥温度为50-100℃，干燥时间为8-24h。
进一步，所述步骤（5）中Sb2O3和AGO的质量比为1:1。
进一步，所述步骤（5）中在蒸馏水中的回流加热温度为100-110℃，回流时间为48-72h；在饱和酒石酸溶液中的回流温度为80℃，回流时间为2h。
采用本发明所述的制备方法通过将锑金属与羧化石墨烯结合制得的锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料。
本发明所述锑金属-羧化石墨烯复合材料在用作钠离子电池负极材料中的应用，所述纳米复合材料可以改善钠离子电池的性能，应用时，具体步骤为：将步骤（5）制备的锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料与乙炔黑按7:2比例混合后研磨1-3h，后按照m（纳米复合材料）：m（乙炔黑）：m（粘合剂）=7:2:1的比例加入浓度为30 mg/mL的粘合剂（聚偏氟乙烯PVDF），继续研磨至无颗粒，得到涂布样品。样品均匀涂抹在铜片上，放置12 h后组装钠离子电池，进行电容放电试验，并测定钠电池的稳定性。
本发明的反应机理：如图1所示为本发明工艺的简短流程示意图，石墨烯（GO）拥有蜂巢晶格和独一无二的多原子π键，具有比较大的特殊表面领域、高化学稳定性和导电性。Sb 金属单质，虽然有着良好的安全性，合成方便、储量高等优点。此外，金属锑自身具备的优点可以有效的降低电池循环过程中的自热现象以及发生热失控的风险，防止表面生成结晶，从而使AGO和Sb组成的纳米化合物为改善钠离子电池中钠的嵌入/脱嵌提供了很大的可能性。在本实验中，将Sb与羧化石墨烯复合，很好的克服了充放电过程中Sb金属体积变化带来的影响，可有效提高电池容量。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明相比于现有的锑金属和羧化石墨烯纳米混合的方法的优点在于在使用简单混合物的情况下，通过共价键连接Sb和AGO的方式，大大地增加了纳米材料的比电容量和稳定性，为提高钠离子电池的性能提供了一种新的思路。
2、本发明在不增加工艺流程的基础下，简化了制备步骤，对原料材料要求不高且原料来源广泛，价格便宜，大大地降低了对工序和装置的要求。从一定程度上为钠离子电池材料的发展拓宽了道路。
3、本发明每一步的实验过程使用的溶剂、原料都进行严格的筛选，使得本发明的副产物较少，产率较高。
4、本发明操作简单、成本低廉、适用于大规模生产。本发明制备的纳米材料制备的钠离子电池比容量和较好的稳定性，其在钠离子电池领域具有重要的应用价值
附图说明
图1为本发明锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料制备工艺流程示意图；
图2所示，Sb@AGO纳米复合材料的X衍射图谱；
图3为Sb@AGO的SEM图；
图4为Sb@AGO的EDX图；
图5为利用实施例1中Sb@AGO、纯Sb和纯AGO制备的钠离子电池倍率图；
图6为利用实施例1中Sb@AGO、纯Sb和纯AGO制备的钠离子电池前三圈充放电性能图；
图7为利用实施例1中Sb@AGO、纯Sb和纯AGO制备的钠离子电池低电流密度电池稳定性测试图；
图8为利用实施例1中Sb@AGO、纯Sb和纯AGO制备的钠离子电池高电流密度电池稳定性测试图。
具体实施方式
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）石墨烯的合成：采用改进Hummers法制备石墨烯；
（2）羧化石墨烯的合成（一）：将250mg步骤（1）得到的石墨烯加入到70mL无水乙醇中，加完以后搅拌均匀，使石墨烯均匀分散到无水乙醇中。
（3）羧化石墨烯的合成（二）：向步骤（2）的体系中加入 5g 氯乙酸、6.25g 的氢氧化钠；然后将此溶液在超声波的作用下搅拌保持1h，搅拌完成后，再在室温下将溶液搅拌72h。
（4）羧化石墨烯的合成（三）：用0.5M盐酸酸化步骤（3）的体系至pH为2，离心2min，转速为22000 r/min，得到的固体先用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤，然后将洗涤好的溶液放在真空烘箱里60℃干燥12h，得到羧化的石墨烯AGO。
（5） Sb@AGO的合成：120 mg Sb2O3和120mg的AGO在50mL蒸馏水中溶解，然后在110℃回流持续48h。离心上述反应液，将离心所得固体在饱和酒石酸溶液中80℃下回流2h，随后重复上述两步回流操作一次。在上述步骤结束时，将材料离心，用蒸馏水洗涤三遍后，再醇洗，真空条件下干燥12h，得到Sb@AGO材料。
实施例1所制备Sb@AGO纳米复合材料的X衍射图谱如图2所示，从图2的晶相分析可知该样品的主要成分为所需纳米材料并无其他物质，并且从图2中可以明确AGO与Sb的存在；在图2中，AGO的特征衍射峰出现在26.5°, 36.0°, 43.3°, 50.4°和60.1°的位置，Sb的特征衍射峰出现在26.5°, 29.9°, 30.8°, 40.7°和58.7°的位置，在Sb@AGO的样品中，Sb的特征衍射峰大部分被AGO所覆盖，但在29.9°处可以观察到最强的衍射峰，表明该样品确为Sb@AGO纳米复合材料。
图3（a）为Sb@AGO低倍下的SEM图；由SEM图可知，该产品是有高收率的纳米片组成，与典型石墨烯GO微观结构相似。图3（b）为Sb@AGO低倍下的TEM图；图3（c）为Sb@AGO高倍下的TEM图；在高倍显微镜图片中未发现明显的Sb颗粒，表明Sb在AGO中分散良好。图4TEM能量色散X射线（EDX）元素映射图像也证实了C、O和Sb元素在合成材料Sb@AGO中共存且分布均匀。
实施例2
一种锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）石墨烯的合成：采用改进Hummers法制备石墨烯；
（2）羧化石墨烯的合成（一）：将250mg步骤（1）得到的石墨烯加入到70mL无水乙醇中，加完以后搅拌均匀，使石墨烯均匀分散到无水乙醇中。
（3）羧化石墨烯的合成（二）：向步骤（2）的体系中加入 6g 氯乙酸、8.25g 的氢氧化钠；然后将此溶液在超声波的作用下搅拌保持1h，搅拌完成后，再在室温下将溶液搅拌72h。
（4）羧化石墨烯的合成（三）：用0.1M盐酸酸化步骤（3）的体系至pH为2，离心2min，转速为22000 r/min，得到的固体先用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤，然后将洗涤好的溶液放在真空烘箱里60℃干燥12h，得到羧化的石墨烯AGO 。
（5） Sb@AGO的合成：120 mg Sb2O3和120mg的AGO在50mL蒸馏水中溶解，然后在110℃回流持续48h。离心上述反应液，将离心所得固体在饱和酒石酸溶液中80℃下回流2h，随后重复上述两步回流操作一次。在上述步骤结束时，将材料离心，用蒸馏水洗涤三遍后，再醇洗，真空条件下干燥12h，得到Sb@AGO材料。
实施例3
一种锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）石墨烯的合成：采用改进Hummers法制备石墨烯；
（2）羧化石墨烯的合成（一）：将250mg步骤（1）得到的石墨烯加入到70mL无水乙醇中，加完以后搅拌均匀，使石墨烯均匀分散到无水乙醇中。
（3）羧化石墨烯的合成（二）：向步骤（2）的体系中加入 5g 氯乙酸、6.25g 的氢氧化钠；然后将此溶液在超声波的作用下搅拌保持1h，搅拌完成后，再在室温下将溶液搅拌72h。
（4）羧化石墨烯的合成（三）：用0.5M盐酸酸化步骤（3）的体系至pH为1.5，离心2min，转速为22000 r /min,得到的固体先用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤，然后将洗涤好的溶液放在真空烘箱里60℃干燥12h，得到羧化的石墨烯AGO。
（5） Sb@AGO的合成：60 mg Sb2O3和60mg的AGO在50mL蒸馏水中溶解，然后在100℃回流持续48h。离心上述反应液，将离心所得固体在饱和酒石酸溶液中80℃下回流2h，随后重复上述两步回流操作一次。在上述步骤结束时，将材料离心，用蒸馏水洗涤三遍后，再醇洗，真空条件下干燥12h，得到Sb@AGO材料。
实施例4
一种锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）石墨烯的合成：采用改进Hummers法制备石墨烯；
（2）羧化石墨烯的合成（一）：将250mg步骤（1）得到的石墨烯加入到70mL无水乙醇中，加完以后搅拌均匀，使石墨烯均匀分散到无水乙醇中。
（3）羧化石墨烯的合成（二）：向步骤（2）的体系中加入 10g 氯乙酸、10g 的氢氧化钠；然后将此溶液在超声波的作用下搅拌保持1h，搅拌完成后，再在室温下将溶液搅拌72h。
（4）羧化石墨烯的合成（三）：用0.25M盐酸酸化步骤（3）的体系至pH为3，离心2min，转速为22000 r /min，得到的固体先用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤，然后将洗涤好的溶液放在真空烘箱里60℃干燥12h，得到羧化的石墨烯AGO。
（5）锑金属-羧化石墨烯Sb@AGO纳米复合材料的合成：60 mg Sb2O3和60mg的AGO在50mL蒸馏水中溶解，然后在110℃回流持续48h。离心上述反应液，将离心所得固体在饱和酒石酸溶液中80℃下回流2h，随后重复上述两步回流操作一次。在上述步骤结束时，将材料离心，用蒸馏水洗涤三遍后，再醇洗，真空条件下干燥12h，得到Sb@AGO材料。
实施例5
一种锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）石墨烯的合成：采用改进Hummers法制备石墨烯；
（2）羧化石墨烯的合成（一）：将250mg步骤（1）得到的石墨烯加入到70mL无水乙醇中，加完以后搅拌均匀，使石墨烯均匀分散到无水乙醇中。
（3）羧化石墨烯的合成（二）：向步骤（2）的体系中加入 5g 氯乙酸、6.25g 的氢氧化钠；然后将此溶液在超声波的作用下搅拌保持1h，搅拌完成后，再在室温下将溶液搅拌72h。
（4）羧化石墨烯的合成（三）：用0.3M盐酸酸化步骤（3）的体系至pH为2，离心2min，转速为22000 r /min，得到的固体先用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤，然后将洗涤好的溶液放在真空烘箱里60℃干燥12h，得到羧化的石墨烯AGO。
（5） Sb@AGO的合成：100 mg Sb2O3和100mg的AGO在50mL蒸馏水中溶解，然后在110℃回流持续48h。离心上述反应液，将离心所得固体在饱和酒石酸溶液中80℃下回流2h，随后重复上述两步回流操作一次。在上述步骤结束时，将材料离心，用蒸馏水洗涤三遍后，再醇洗，真空条件下干燥12h，得到Sb@AGO材料。
性能应用试验：
利用实施例1的Sb@AGO纳米复合材料、纯Sb和纯AGO制备钠离子电池性能的测试。
将步骤（5）制备的Sb@AGO纳米复合材料、纯Sb和纯AGO分别与乙炔黑（质量分数为50%）按7:2比例混合后研磨1-2h，后按照m（纳米复合材料）：m（乙炔黑）：m（粘合剂）=7:2:1的比例加入浓度为30 mg/mL的粘合剂（聚偏氟乙烯PVDF），继续研磨成匀浆，得到涂布样品。将样品均匀涂抹在阴极铜片上，放置12 h后按照文献3（Liu Z, Yu X, Lou X, et al. Sb@Ccoaxial nanotubes as a superior long-life and high-rate anode for sodium ionbatteries [J]. Energy & Environmental Science, 2016.）中的方法组装钠离子电池，对钠离子电池性能进行测试。
图5为电池的倍率图，试验结果由图5可知，当电流密度分别为100、200、500、1000和1000 mA g-1时，利用实施例1中制备Sb@AGO纳米复合材料的钠离子电池的放电比容量分别为247.3、205.6、184.4、164.7 和147.9 mAh g-1。当电流恢复到100 mA g-1时，除前几个周期外，所制备的钠离子电池的容量几乎完全恢复到216.4 mAh g-1左右，表明所制备的钠离子电池具有良好的速率能力。
图6为电池前三圈充放电图。Sb@AGO电极的第一放电容量为1031.5 mAh g-1，电流密度为50 mA g-1。在第二次和第三次充放电循环中，比放电容量降低到369.5 mAh g-1，321.5 mAh g-1，这可能是由于SEI膜的形成。可以注意到，第二次和第三次放电的比容量非常相似，表明自第二次循环以来，电池的性能已经稳定。在0-3.0 V的截止电压下，在100至1000 mAh g-1的范围内评估了速率能力，证明利用实施例1中Sb@AGO制备的钠离子电池从第二圈开始电容量稳定。
图7-8为电池的稳定性测试。在经过200圈之后，电池的比电容量保持在192.1mAhg-1,在大的电流密度下展现了较高的稳定性；相反，纯Sb在电流密度为1000 mA g-1时比电容非常低，几乎可以忽略不计；此外，A GO的比容量在前几圈已经急速下降，并且在200圈之后保持为62.7 mAh g-1, 仅仅是Sb@AGO的三分之一。这与文献1（C. Nithya and S.Gopukumar rGO/nano Sb composite: a high performance anode material for Na+ion batteries and evidence for the formation of nanoribbons from the nano rGOsheet during galvanostatic cycling [J]. Journal of Materials Chemistry A,2014, 2，10516.）中的同类材料相比有明显的优势，文献1中以还原石墨烯氧化物RGO与 Sb组成材料作为负极组装电池，对其电池性能进行测试，虽然在电容量和转换率方面优于单独的Sb材料和单独的RGO材料，但文献1中石墨烯与Sb的组合纳米带结构稳定性差，因此电池循环稳定性较差。
同时也说明，利用实施例1的Sb@AGO制备的钠离子电池比容量大，具有较好的稳定性其材料性能远高于利用其他方法制备的石墨烯和金属锑的纳米复合材料，在钠离子电池领域具有重要的应用价值。
利用实施例2-5的Sb@AGO制备的钠离子电池的性能与实施例1相当。
上述实施例为本发明实施方式的举例说明，尽管以用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锑金属-石墨烯纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）石墨烯的合成：采用改进Hummers法制备石墨烯；
（2）将步骤（1）得到的石墨烯加入到无水乙醇中，加完以后搅拌均匀，使石墨烯均匀分散到无水乙醇中；
（3）向步骤（2）得到的体系中加入氢氧化钠和氯乙酸，然后在超声波的作用下搅拌保持一段时间，搅拌完成后，再在室温下将溶液搅拌；
（4）用盐酸酸化步骤（3）所得体系，离心后得到的固体先用蒸馏水洗涤，再用乙醇洗涤、
干燥后得到羧化的石墨烯AGO；
（5）将 Sb2O3和AGO在蒸馏水中溶解，然后进行回流反应，反应结束后，离心反应液所得固体在饱和酒石酸溶液中继续回流，随后重复上述两步回流操作一次，结束后离心、水洗、醇洗、干燥后得到Sb@AGO材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，氯乙酸与氢氧化钠的质量比为1:（1-2）。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中将溶液超声搅拌时间为0.1-3h，室温搅拌时间为0.1-72 h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中盐酸浓度为0.01-0.5M，酸化至pH为0.1-5。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，离心转速大于20000r min-1，离心时间为1-5min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中干燥温度为50-100℃，干燥时间为8-24h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中Sb2O3和AGO的质量比为1:1。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中在蒸馏水中的回流加热温度为100-110℃，回流时间为48-72h；在饱和酒石酸溶液中的回流温度为80℃，回流时间为2h。
9.采用权利要求1-8任一所述的制备方法制得的锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料。
10.根据权利要求9所述的锑金属-羧化石墨烯纳米复合材料在钠离子电池负极材料中的应用。
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