[發(fā)明專利]一種碳包覆棒狀結(jié)構(gòu)三元鐵錳硫化物石墨烯復(fù)合材料及其合成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810252712.0
• 申請日: 2018-03-26
• 公開（公告）號(hào): CN108417811B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王艷;彭振凱;陳澤祥;張繼君;閆欣雨;周智雨;呂慧芳
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/054
• 代理公司: 成都弘毅天承知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51230
• 代理人: 蔣秀清;李春芳

本發(fā)明提供了一種碳包覆棒狀結(jié)構(gòu)三元鐵錳硫化物石墨烯復(fù)合材料及其合成方法，涉及微納材料合成領(lǐng)域，所述復(fù)合材料的芯層為棒狀結(jié)構(gòu)的三元鐵錳硫化物，所述三元鐵錳硫化物外包覆有石墨烯層，且棒狀結(jié)構(gòu)的三元鐵錳硫化物之間經(jīng)石墨烯層連接，三元鐵錳硫化物對應(yīng)未被石墨烯層包覆的位置包覆有碳包覆層，復(fù)合材料在石墨烯層和碳包覆層的雙重作用下，形成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，所述石墨烯層的表面分布有連通三元鐵錳硫化物的氣孔。制備的復(fù)合材料能夠在石墨烯和碳包覆層的雙重作用下，形成一個(gè)完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)石墨烯表面與氫氧化鉀高溫?zé)崽幚懋a(chǎn)生的氣孔使得每個(gè)棒狀復(fù)合材料能夠在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)預(yù)留出足夠的通道以供電解液浸潤和離子傳輸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納材料合成領(lǐng)域，具體涉及一種碳包覆棒狀結(jié)構(gòu)三元鐵錳硫化物石墨烯復(fù)合材料及其合成方法。

背景技術(shù)

石墨烯作為2004年才發(fā)現(xiàn)的新型碳材料，是至今發(fā)現(xiàn)的最薄的材料。石墨烯表現(xiàn)出強(qiáng)導(dǎo)電性、超強(qiáng)硬度與韌性、超大比表面積、特異的導(dǎo)熱性和高透光率等優(yōu)異性能，使得石墨烯成為一種非常理想的基體材料。為了進(jìn)一步拓寬石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域，科研工作者將石墨烯與許多功能性材料復(fù)合，制備得到具有豐富結(jié)構(gòu)、組成及性質(zhì)的石墨烯基復(fù)合材料，這些復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于催化、傳感、光電、醫(yī)學(xué)以及儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

鐵礦、錳礦在自然界儲(chǔ)量豐富，且化合物種類繁多，價(jià)格低廉，對環(huán)境無危害，一直以來都是作為電化學(xué)儲(chǔ)能的重要研究對象，而鐵礦、錳礦與石墨烯的結(jié)合歷來也是備受行業(yè)內(nèi)的青睞。

例如中國專利(CN 106981636 A)以乙酰丙酮鐵、丙酮為溶劑，采用溶劑熱法，待丙酮完全揮發(fā)之后冷凍干燥得到FeS/RGO前驅(qū)體；然后以硫脲為硫源，采用高溫硫化在石墨烯表面負(fù)載FeS合成了二元FeS/RGO復(fù)合材料用作鈉離子電池的負(fù)極材料，F(xiàn)eS顆粒或者片層錨定在石墨烯片層上，利用石墨烯提高FeS的導(dǎo)電性，改善倍率性能，表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，。

再比如，中國專利(CN 106159239 A)首先通過水熱工序在160-260℃反應(yīng)18-20小時(shí)下制備三維柱狀還原氧化石墨烯，然后以氯化錳、硫酸錳、硝酸錳等為錳源，以硫代乙酰胺、硫脲為硫源，三維還原氧化石墨烯為模板，乙二醇、乙醇、異丙醇中的兩種的混合物為溶劑；其中三維還原氧化石墨烯上的基團(tuán)將吸附溶液中的正負(fù)離子，通過溶劑熱合成使得硫化錳在石墨烯表面直接進(jìn)行原位生長制備硫化錳/石墨烯復(fù)合材料納米顆粒，通過制備的三維柱狀還原氧化石墨烯改善硫化錳在電化學(xué)反應(yīng)過程中的體積變化導(dǎo)致的穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。

但以上兩項(xiàng)技術(shù)，前者制備的材料，隨著材料的電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)eS顆粒或者片層會(huì)因?yàn)殁c離子的嵌入脫出過程，不可避免的會(huì)使材料體積膨脹或粉化而從石墨烯片層上脫落，最終導(dǎo)致其電化學(xué)性能的下降；而后者制備的復(fù)合材料，根據(jù)其掃描電鏡圖可知，該復(fù)合材料的尺寸為納米級顆粒，而納米顆粒復(fù)合材料存在嚴(yán)重團(tuán)聚現(xiàn)象，從而會(huì)導(dǎo)致后期的性能下降明顯。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種碳包覆棒狀結(jié)構(gòu)三元鐵錳硫化物石墨烯復(fù)合材料及其合成方法，以解決現(xiàn)有制備方法制備的石墨烯復(fù)合材料在使用后期因材料本身物理性能的原因使得電化學(xué)性能下降嚴(yán)重的技術(shù)問題。

本發(fā)明的目的可以通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種碳包覆棒狀結(jié)構(gòu)三元鐵錳硫化物石墨烯復(fù)合材料，所述復(fù)合材料的芯層為棒狀結(jié)構(gòu)的三元鐵錳硫化物，所述三元鐵錳硫化物外包覆有石墨烯層，且棒狀結(jié)構(gòu)的三元鐵錳硫化物之間經(jīng)石墨烯層連接，三元鐵錳硫化物對應(yīng)未被石墨烯層包覆的位置包覆有碳包覆層，復(fù)合材料在石墨烯層和碳包覆層的雙重作用下，形成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，所述石墨烯層的表面分布有連通三元鐵錳硫化物的氣孔。

作為優(yōu)選地，所述棒狀結(jié)構(gòu)的三元鐵錳硫化物為納米棒，納米棒的長度為100nm-5μm，納米棒寬度為10nm-1μm。

一種碳包覆棒狀結(jié)構(gòu)三元鐵錳硫化物石墨烯復(fù)合材料的合成方法，包括如下步驟：