[发明专利]碳网络负载氧化锌纳米晶复合材料、制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于金属氧化物功能材料的制备领域，特别涉及一种碳网络负载氧化锌纳米晶复合材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池因其高电压、长寿命、可循环等优点被广泛应用于各个领域。近年来由于环境因素和传统能源的逐年减少，锂离子电池在动力汽车方面的应用更是受到重点关注。目前商业化的负极材料主要是石墨，但是由于其比容量较低（372 mAhg^-1），已经难以满足作为动力锂离子电池对能量密度的要求。过渡金属氧化物由于其较高的理论容量（一般大于600 mAhg^-1）、安全性更高、无污染等优点成为可能替代石墨负极的一种新兴材料。氧化锌是一种常用的宽禁带半导体，因其含量丰富、无污染和优异的发光性能等优点，在太阳能电池、液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等领域获得很好的应用。最近由于其比容量高、相比其他过渡金属更好的锂离子传输性能等特点，在锂离子电池负极材料方面也广受关注。

不同于石墨负极的“嵌入”反应，氧化锌在充放电过程中发生“转化-合金化”反应，即ZnO首先被还原成金属Zn，然后和金属Li形成LiZn合金。该反应机理是使氧化锌具有较高比容量的同时也导致材料发生大的体积膨胀（~228%），比容量急剧下降，此外氧化锌另一个不可避免的缺点是较差的导电性能。目前解决途径主要有三种：一是材料纳米化，降低ZnO晶体到纳米尺度，会带来如增强电极和电解液的接触、缩短锂离子和电子的传输距离以及缓解体积膨胀等诸多优点，但是同时也会造成首次不可逆容量高、堆密度低等问题；二是空心/核壳结构，可以较好的缓解循环过程中的体积变化，但是复杂的制备技术限制了其实际应用；三是构建一个三维的支撑和导电网络载体，可以同时解决氧化锌电极粉化和导电性差的缺点。多孔碳负载氧化锌晶体的一种常用载体，因为它具有较好的导电性，同时可以大大缓解体积变化。Wang课题组采用一步法获得一种ZnO/纳米碳复合结构，表现出优异的电化学储锂性能（Nano Energy, 2013, 2,579-585）。Shen课题组则采用多孔碳负载ZnO量子点，显著改善了ZnO电极的循环和倍率性能（ACS Appl. Mater. Interfaces 2013,5,3118）。但是多孔碳的高比表面积和苛刻的制备工艺依然是一个不可忽略的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种碳网络负载氧化锌纳米晶复合材料、制备方法和用途。

本发明采用的技术方案为：

   一种碳网络负载氧化锌纳米晶复合材料，该复合结构是由一个稳定的无定形碳网络结构作为载体，氧化锌晶体颗粒均匀的分布在载体中，氧化锌晶体呈正四面体形状，边长为100-300 nm, 晶相为六角纤锌矿型。 

依次采用内回流法和原位碳化法制备得到。

一种碳网络负载氧化锌纳米晶复合材料的制备方法，依次采用内回流法和原位碳化法。

所述的内回流法采用硝酸锌溶解在包含油酸和油胺的混合液中形成均一溶液，反应体系在惰性气氛中冷凝回流，回流温度240-280^oC。

所述的原位碳化法是将内回流法得到的粉末在惰性气氛中进行煅烧，温度为500-700^oC，升温速率为10^oC/min，得到不同粒径大小的ZnO晶体。

具体步骤为：

1）将4 mmol Zn(NO₃)₂·6H₂O 溶解在包含10-20 mL油酸和2-4 mL油胺的混合液中，在120^oC下回流60min除空气，升高体系温度至240-280^oC 并保持120 min，待体系冷却到室温后，产物经离心洗涤，并在80^oC烘干，得到含锌的前驱体，整个反应过程在惰性气氛下进行； 

2）把步骤1）得到的含锌的前驱体进行煅烧，在惰性气氛中500-700^oC下碳化处理180 min, 升温速率为10^oC/min，得到宏观颜色为黑色的碳网络负载氧化锌纳米晶复合材料。

一种所述的碳网络负载氧化锌纳米晶复合材料的用途，作为锂离子电池负极材料。

本发明的有益效果：

1）本发明采用两步法获得一种碳网络负载氧化锌纳米晶结构，方法可靠、环保且易于实现，先期的内回流和后期碳化过程均是在常压下进行，避免了水热反应要求高压密封的缺点，可以得到工业上的推广；