CN108091838B - 一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法 - Google Patents

一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

一步制备核‑壳结构纳米α‑Fe2O3@C复合材料的方法，先配制铁盐溶液；然后将医用脱脂棉填充于石英坩埚中，将铁盐溶液倒入到石英坩埚中，并用玻璃棒挤压脱脂棉，使所有脱脂棉都充分浸湿；再将石英坩埚放入管式炉中，通入氮气，升温到280‑600℃，保温1‑3h，自然冷却；去除残余的棉絮后得到核‑壳结构纳米α‑Fe2O3@C复合材料；本发明能够快速制备出结构完整、分散良好的核‑壳结构纳米α‑Fe2O3@C复合材料，且整个制备过程周期短，操作简便，易于实现大规模批量化生产。

Description

一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法
技术领域
本发明涉及纳米铁碳复合材料制备技术领域，具体涉及一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法。
背景技术
寻求新一代高比能负极材料一直是锂离子电池电极材料研究的热点，过渡金属氧化物如MnO2、α-Fe2O3、Fe3O4等作为锂离子电池负极材料因其能提供高达700mAh/g以上的可逆容量而受到广泛的关注,是极具潜力的新一代锂离子电池电极材料。其中α -Fe2O3作为锂离子电池负极材料因具有高达1007mAh/g的理论比容量和廉价、环境友好等优点而受到广泛关注，但其导电性差、能量效率低、容量易衰减等缺陷限制了该材料的实际应用。为此，常将α-Fe2O3与碳材料复合制备成α-Fe2O3@C复合材料，以增强材料的导电性与结构稳定性，降低极化现象，以及抑制充放电过程中活性材料颗粒发生的团聚，达到改善其电化学性能的目的。
经过对现有纳米α-Fe2O3@C复合材料制备技术的文献检索发现，方鉥等人在《武汉大学学报》2016年第62卷第4期338页到344 页发表的“两种形貌纳米α-Fe2O3@C的制备及其吸附性能”一文中提到利用分步水热、双氧水氧化辅助PH值调控制备得到荔枝状和菱形状两种形貌的α-Fe2O3@C核壳结构的纳米材料，但该方法所制备的α-Fe2O3@C粒径在数微米以上，且制备周期长，实验操作复杂。
另外，李培养等人在《化工新型材料》2015年第43卷第9期第48页到50页发表的“溶液燃烧法制备纳米Fe2O3/C超级电容器电极材料”一文中提到在空气气氛下，以硝酸铁、柠檬酸和硝酸铵为原料，采用溶液燃烧法一步合成纳米Fe2O3/C复合材料的制备方法，该制备方法基本实现了制备工艺简单、产率高及成本低的优点，但所制得的Fe2O3/C材料颗粒形貌不规则，团聚严重。
因此，如何制备结构完整、分散良好、颗粒尺寸在微米以下且反应周期短、操作简单的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料已成为当前亟待突破的关键技术难点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，能够快速制备出结构完整、分散良好的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料，且整个反应周期短，操作简便，易于实现大规模批量化生产。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，包括以下步骤：
1)称取FeCl3·6H2O于烧杯中，加入水，搅拌至完全溶解，配制成0.05g/mL-0.2g/mL的铁盐溶液；
2)将医用脱脂棉，填充于石英坩埚中，将步骤1)配置的铁盐溶液倒入到石英坩埚中，并用玻璃棒挤压脱脂棉，使所有脱脂棉都充分浸湿；
3)将石英坩埚放入管式炉中，通入氮气，以5℃/min速度升温到280-600℃，保温1-3h，自然冷却；去除残余的棉絮后得到核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料。
所述的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料具有完整核壳结构，其平均粒径为80-200纳米，包覆的碳层厚度为3-5纳米。
本发明的有益效果为:本发明采用脱脂棉吸附FeCl3·6H2O的水溶液，脱脂棉上的微孔为后续反应提供了小腔室。在高温且无氧的环境下，吸附在这些脱脂棉微孔中的FeCl3·6H2O水溶液进行反应，当铁离子与溶液中的氢氧根离子生成Fe(OH)3后，由于高温而进一步失水生成α-Fe2O3晶粒，这些晶粒填充在脱脂棉的微孔里，同时随着脱脂棉在高温下的分解，最终形成了一个个由碳层完全包覆的分散的α -Fe2O3@C颗粒。
与现有技术相比，本发明方法只需用脱脂棉吸附铁盐溶液，并在无氧条件下，于280℃-600℃保温1h-3h就能够快速制备出具有核- 壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料。脱脂棉上的微孔为反应提供了小腔室从而使最终产物具有完整的结构，同时碳包覆层对α-Fe2O3晶粒的完整包覆使最终产物能良好分散而不会发生颗粒之间的团聚。整个制备过程周期短，最多只需3小时，操作简便，通过管式炉等设备加热并保温即可，易于实现大规模批量化生产。
附图说明
图1(a)为本发明实施例一制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料TEM图(50nm)；图1(b)为本发明实施例一制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料TEM图(10nm)。
图2为本发明实施例一制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料XRD图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作详细描述。
实施例一，一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，包括以下步骤：
1)称取3g FeCl3·6H2O于烧杯中，加入30ml水，搅拌至完全溶解，配制成0.1g/mL的铁盐溶液；
2)称取5g医用脱脂棉，填充于石英坩埚中，将步骤1)配置的铁盐溶液倒入到石英坩埚中，并用玻璃棒挤压脱脂棉，使所有脱脂棉都充分浸湿；
3)将石英坩埚放入管式炉中，通入氮气，以5℃/min速度升温到350℃，保温2h后炉内自然冷却至室温，关闭氮气；去除残余的棉絮后得到粉末状产物，即为核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料。
参照图1，图1(a)为实施例一制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C 复合材料TEM图(50nm)；图1(b)为实施例一制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料TEM图(10nm)。从图1(a)中可以看到，所制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料在80nm到200nm不等，从图1(b)中可以看到，所制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料有一层厚度为3-5nm的C包覆层，而且该包覆层对α-Fe2O3形成了完好的包覆。
参照图2，图2为实施例一制备的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料XRD图。从图中的衍射峰与标准PDF卡片33-0664的对应情况可以看到，所制备的材料为α-Fe2O3。
实施例二，一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，包括以下步骤：
1)称取1.5g FeCl3·6H2O于烧杯中，加入30ml水，搅拌至完全溶解，配制成0.05g/mL的铁盐溶液；
2)称取5g医用脱脂棉，填充于石英坩埚中，将步骤1配置的铁盐溶液倒入到石英坩埚中，并用玻璃棒挤压脱脂棉，使所有脱脂棉都充分浸湿；
3)将石英坩埚放入管式炉中，通入氮气，以5℃/min速度升温到280℃，保温1h后炉内自然冷却至室温，关闭氮气；去除残余的棉絮后得到粉末状产物，即为核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料。
实施例三，一种一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，包括以下步骤：
1)称取6g FeCl3·6H2O于烧杯中，加入30ml水，搅拌至完全溶解，配制成0.2g/mL的铁盐溶液；
2)称取5g医用脱脂棉，填充于石英坩埚中，将步骤1)配置的铁盐溶液倒入到石英坩埚中，并用玻璃棒挤压脱脂棉，使所有脱脂棉都充分浸湿；
3)将石英坩埚放入管式炉中，通入氮气，以5℃/min速度升温到600℃，保温3h后炉内自然冷却至室温，关闭氮气；去除残余的棉絮后得到粉末状产物，即为核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料。

Claims (5)

1.一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)称取FeCl3·6H2O于烧杯中，加入水，搅拌至完全溶解，配制成0.05g/mL-0.2g/mL的铁盐溶液；
2)将医用脱脂棉，填充于石英坩埚中，将步骤1)配置的铁盐溶液倒入到石英坩埚中，并用玻璃棒挤压脱脂棉，使所有脱脂棉都充分浸湿；
3)将石英坩埚放入管式炉中，通入氮气，以5℃/min速度升温到280-600℃，保温1-3h，自然冷却；去除残余的棉絮后得到核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料。
2.根据权利要求1所述的一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，其特征在于：所述的核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料具有完整核壳结构，其平均粒径为80-200纳米，包覆的碳层厚度为3-5纳米。
3.根据权利要求1所述的一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)称取3g FeCl3·6H2O于烧杯中，加入30ml水，配制成0.1g/mL的铁盐溶液；
2)称取5g医用脱脂棉；
3)以5℃/min速度升温到350℃，保温2h。
4.根据权利要求1所述的一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)称取1.5g FeCl3·6H2O于烧杯中，加入30ml水，配制成0.05g/mL的铁盐溶液；
2)称取5g医用脱脂棉；
3)以5℃/min速度升温到280℃，保温1h。
5.根据权利要求1所述的一步制备核-壳结构纳米α-Fe2O3@C复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)称取6g FeCl3·6H2O于烧杯中，加入30ml水，配制成0.2g/mL的铁盐溶液；
2)称取5g医用脱脂棉；
3)以5℃/min速度升温到600℃，保温3h。
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