[發(fā)明專(zhuān)利]一種碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110210233.4
• 申請(qǐng)日: 2021-02-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113003564A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃劍鋒;王瑜航;郭鵬輝;曹麗云;李嘉胤;許占位;羅曉敏;王芳敏
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/168
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/168;C01G49/00;B82Y30/00;B82Y40/00;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 西安眾和至成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61249
• 代理人: 強(qiáng)宏超

本發(fā)明公開(kāi)了一種碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料及其制備方法和應(yīng)用，制備方法以含碳氮有機(jī)化合物、有機(jī)酸鐵鹽及碳納米管為原材料，采用微波合成法制備碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料的前驅(qū)體，原料易得，制備工藝簡(jiǎn)單，且微波合成法加熱速度快，大大縮短了合成的時(shí)間，熱能利用率高，節(jié)省能源，無(wú)公害。所制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，碳納米管交織的網(wǎng)絡(luò)骨架的存在，有利于緩解材料充放電過(guò)程中的體積膨脹；此外，交錯(cuò)的碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)還有利于離子和電子的傳輸，提高材料的導(dǎo)電性，從而有效地改善了鐵碳二亞胺材料的電化學(xué)性能。將所制備的碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能和倍率性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料合成領(lǐng)域，具體涉及一種碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

近年來(lái)，由于受鋰資源的制約，尋找可以替代鋰電池的儲(chǔ)能設(shè)備成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鈉離子電池由于具有與鋰離子電池工作原理相似，地殼中鈉含量豐富且價(jià)格低廉、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣大學(xué)者的關(guān)注。然而，鈉離子較大的離子半徑會(huì)造成電極電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、材料體積變化大等問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)有利于鈉離子嵌入/脫出、穩(wěn)定性強(qiáng)和容量高的電極材料至關(guān)重要。

鐵碳二亞胺材料因具有低而平的充放電電位平臺(tái)、高度可逆的反應(yīng)特性與容量大等特點(diǎn)，已被認(rèn)為是一種非常有潛力的鈉離子電池負(fù)極材料，但其合成步驟復(fù)雜，合成成本較高，且其充放電過(guò)程中還存在體積膨脹的現(xiàn)象。若能找到一種材料與其復(fù)合，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，緩解鈉離子嵌入和脫出時(shí)發(fā)生的體積膨脹，并能利用較為簡(jiǎn)單的方法制備出這種復(fù)合材料，則有望推廣該材料在電池電極材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料及其制備方法和應(yīng)用，針對(duì)相關(guān)技術(shù)中鐵碳二亞胺材料合成步驟復(fù)雜、合成成本高、充放電過(guò)程中易體積膨脹的問(wèn)題，通過(guò)與碳納米管的同步復(fù)合，緩解鐵碳二亞胺材料在充放電過(guò)程中的體積膨脹問(wèn)題，并增強(qiáng)其導(dǎo)電性，從而提高電池的循環(huán)和倍率性能。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料的制備方法，包括以下步驟：

1)取碳納米管加入到40～60ml的蒸餾水中并分散，得到溶液A；

2)向溶液A中加入有機(jī)酸鐵鹽和含碳氮有機(jī)化合物進(jìn)行攪拌，并在攪拌過(guò)程中加入0.1～0.25g十六烷基三甲基溴化銨，得到溶液B，溶液B中有機(jī)酸鐵鹽與碳納米管的質(zhì)量比為(60:1)～(15:1)，有機(jī)酸鐵鹽與含碳氮有機(jī)化合物的質(zhì)量比為(3:1)～(1:6)；

3)將溶液B在微波作用下進(jìn)行加熱反應(yīng)，微波功率為500～800W，反應(yīng)溫度為60～100℃，反應(yīng)時(shí)間為5～15min，待反應(yīng)結(jié)束后收集產(chǎn)物；

4)將產(chǎn)物在400～700℃溫度下進(jìn)行煅燒，保溫時(shí)間為30min～5h，即得碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料。

優(yōu)選地，所述步驟1)中分散采用超聲分散3～10h。

優(yōu)選地，所述步驟2)中有機(jī)酸鐵鹽包括甲酸鐵、甘氨酸鐵或異丙氧鐵。

優(yōu)選地，所述步驟2)中含碳氮有機(jī)化合物包括乙二胺或丙酰胺。

優(yōu)選地，所述步驟2)中攪拌的轉(zhuǎn)速為300～700r/min，攪拌的時(shí)間為5～15min。

優(yōu)選地，所述步驟3)中溶液B在微波合成儀中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行離心洗滌，并進(jìn)行冷凍干燥。

優(yōu)選地，所述步驟4)中產(chǎn)物置于石英或氧化鋁坩堝內(nèi)，并將坩堝置于管式爐中進(jìn)行煅燒。

優(yōu)選地，所述步驟4)中煅燒在氬氣氣氛下，以5～35℃/min的升溫速率勻速升溫。

本發(fā)明還提供了一種碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料，采用上述的一種碳納米管復(fù)合鐵碳二亞胺材料的制備方法制備得到。