[发明专利]碳包覆纺锤体状氧化铁核壳结构复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电极材料生产技术领域，具体涉及核壳复合纳米材料的合成技术领域。

技术背景

随着化石燃料的日益短缺，汽油价格持续上涨，严重的环境污染导致众多不可逆转的问题，这些问题使得世界各国加大了对太阳能、风能等清洁可再生能源的开发和利用。然而这些可再生能源的间歇性需要高效且经济的能量存储与转换装置来解决。比如超级电容器，锂离子电池以及钠离子电池。但是这些装置的电极材料却对它们的性能有着至关重要的影响。廉价经济且高效的电极材料成为了现在的研究热点。

目前电极材料相对差的循环能力是制约众多电池装置高效应用的关键因素。

发明内容

本发明提供一种碳包覆纺锤体状氧化铁核壳结构复合材料的制备方法，通过该材料提高电极材料的循环能力。

本发明包括如下步骤：

1）将FeCl₃、Na₂SO₄、NH₄H₂PO₄和去离子水混合后进行第一次水热反应，反应结束后取得固相，经水和醇洗涤后真空干燥，即得纺锤体状的氧化铁纳米颗粒。

该步骤中，FeCl₃ 作为铁源，Na₂SO₄ 作为中性溶剂，而NH₄H₂PO₄ 作为FeCl₃ 水解产生的 Fe(OH)₃ 的缓冲溶剂，在高温条件下Fe(OH)₃ 分解成 Fe₂O₃。

2）超声条件下将纺锤体状的Fe₂O₃纳米颗粒分散在乙醇水溶液中，得取均质浑浊液；再将均质浑浊液和氨水、正硅酸乙酯混合，然后再先后加入间苯二酚和甲醛进行第二次水热反应，反应结束后取得固相，经水和醇洗涤后真空干燥，即得包覆有间苯二酚甲醛树脂和二氧化硅的氧化铁纳米颗粒。

该步骤中，正硅酸乙酯在氨水催化下生成二氧化硅，且二氧化硅覆盖在纺锤体状的Fe₂O₃纳米颗粒的外表面，然后间苯二酚和甲醛在水热条件下形成间苯二酚甲醛的聚合物，且间苯二酚甲醛的聚合物覆盖在二氧化硅的表面。

3）在氮气氛围下，将所述包覆有间苯二酚甲醛树脂和二氧化硅的氧化铁纳米颗粒进行碳化处理，得到碳/二氧化硅/氧化铁纳米颗粒。

在高温条件下间苯二酚甲醛树脂的聚合物会碳化，只留下碳覆盖在二氧化硅表面。

4）将碳/二氧化硅/氧化铁纳米颗粒与NaOH水溶液混合进行反应，取得纺锤体状空腔结构的碳-氧化铁复合纳米材料。

该步骤中，碱性NaOH水溶液只会和内层的二氧化硅发生反应，腐蚀掉二氧化硅形成空腔的核壳结构。

本发明工艺简单、合理，制备的空腔结构的碳-氧化铁复合纳米材料，采用碳对氧化铁进行包覆，可提高导电性和电子传输能力，其特殊空腔纺锤体状的纳米结构，可以大大提高了电化学方面性能。制备的纳米材料具有空心结构比表面积大、可大大提高电极材料的循环能力，提高了在导电性等方面的电化学性能，可应用到众多储能装置中。

进一步地，本发明所述步骤1）中，FeCl₃、Na₂SO₄和NH₄H₂PO₄的混合摩尔比为33～39∶ 1 ∶1.3～1.5。该用料比利于形成纺锤体结构的纳米棒。

所述步骤1）中，第一次水热反应的温度为210～230℃。该温度条件下易形成大小均匀的纺锤体结构的纳米棒。

所述步骤2）中，第二次水热反应的温度为90～110℃。该温度是间苯二酚和甲醛水热条件的最佳温度范围。

为了形成包覆均匀的复合纳米颗粒，所述步骤2）中，纺锤体状的Fe₂O₃纳米颗粒和间苯二酚投料质量比为1∶1。

为了形成大小均匀，包覆均匀的复合纳米颗粒，所述步骤2）中，氨水、正硅酸乙酯和甲醛的投料体积比为1∶1∶0.18～0.2。

为了达到碳化形成碳的最佳效果，所述步骤3）中，碳化处理的温度条件为700℃。

所述步骤4）中，NaOH水溶液中NaOH的质量百分数为20%。该浓度对去除二氧化硅的效果最好。

附图说明