[发明专利]一种碳-锡复合导电膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳-锡复合导电膜的制备方法，属于新材料领域。

背景技术

碳是一种导电材料，在能源、环境、国防等许多领域都有广泛的应用。碳材料与金属的复合材料，也表现出诸多优异的性能，最简单的例子就是碳钢材料，由于2％左右的碳的加入，钢的强度、硬度都大大升高。近年来，碳与金属纳米颗粒的复合材料，在能源与催化领域有着优异表现，成为研究的热点问题。碳与锡金属的复合材料，是近年来开发的一种新型材料，研究者发现该复合材料能够作为锂电池的正极材料，取代传统的石墨正极材料，提高锂电池的容量。形成碳锡复合粉末材料的方法主要是在乙炔/氮气环境中，在750℃和810℃之间，通过热化学方法分解氧化锡晶体(SnO₂＝Sn+O₂)，形成碳-锡纳米棒(见2009年文献报道Lee,S.H.,Mathews,M.,Toghiani,H.,Wipf,D.O.and Pittman,J.C.U.(2009)Chemistry of Materials21(11),2306-2314.)。

在电催化的一些应用领域(例如电解催化还原有机物脱卤和CO₂还原制备烷烃、烯烃)，需要将碳与锡的复合材料在惰性基底材料上连续形成，得到导电膜材料，作为导电膜电极。但是，现有国内外尚未有这方面的文献报道。现有的化学气相沉积技术(例如热灯丝法、等离子体法化学气相沉积)能够制备单一的碳膜、类金刚石膜、金刚石膜，但是对于制备导电的碳-锡金属导电膜，尚未有文献报道。

发明内容

本发明提供一种制备碳-锡复合导电膜的方法，该方法可在导电基底材料(例如不锈钢、石墨)、不导电基底材料(例如陶瓷材料)等表面形成碳-锡复合导电膜。

该方法的技术原理是：

氯化锡在乙醇-水溶液中发生在以下的水解和醇解反应：

Sn⁴⁺+CH₃CH₂OH+H₂O——→Sn(OH)_x(OCH₂CH₃)_y+4H⁺(y＝4-x,x为1～4的实数)

在600～800℃氮气惰性气氛下，锡的醇解及水解产物Sn(OH)_x(OCH₂CH₃)_y会发生分解，通过控制惰性基体的温度，可以在惰性基体表面形成连续黑色的含碳-锡膜。其中的碳主要来自于乙氧基在还原性氮气气氛下的碳化。其原理可用下式表示：

Sn(OH)_x(OCH₂CH₃)_y——→Sn↓+C↓+(x+y)H₂O↑+C_2y-1H3_y-x↑

本发明的技术方案如下：

将氯化锡置于7<pH<9的醇-水溶液中，水解醇解后，除去氯离子，并干燥除水，所得固体作为碳和锡的前驱物，所述醇-水溶液中醇水质量比大于9：1；

将惰性衬底置于管式炉的一端，将氯化锡水解醇解所得固体置于管式炉的中心，通入惰性气氛，控制管式炉的中心温度600～800℃，惰性衬底端的温度比管式炉的中心低50～100℃，处理3个小时以上。

所述的惰性衬底可以为导电衬底或非导电衬底。所述的惰性气氛可为氮气、氩气等。

采用氯化锡的水解、醇解产物，即Sn(OH)_x(OCH₂CH₃)_y(以乙醇-水体系为例，以下亦简称前驱物)作为碳和锡的来源，在氮气、氩气等惰性气氛下，在管式炉中进行热化学分解，利用管式炉的温度分布，将惰性基底置于温度较低的一端(一般可低于中心温度50～100℃)，将惰性气体的流速控制在1mL/min～20mL/min,在1米长、60毫米直径的石英管反应器内。工作一定时间后，降低反应系统温度至常温，即可以在惰性基体上得到碳-锡复合膜。反应中，氯化锡水解醇解所得固体Sn(OH)_x(OCH₂CH₃)_y粒径为3～20nm，在惰性气氛中脱水、脱氧后形成单质碳颗粒与锡气态颗粒，在基底材料上共同沉积，形成碳锡膜层。