[发明专利]一种硫化铋单晶/碳纳米线复合材料的制备方法

说明书

本发明属于单晶纳米材料技术领域，具体公开了一种硫化铋单晶/碳纳米线复合材料的制备方法，该方法先将聚合物和过量铋盐充分溶解于溶剂A中，得到过饱和纺丝前驱体，然后进行静电纺丝，得到铋盐/聚合物纳米线复合材料；再将铋盐/聚合物纳米线复合材料进行多步煅烧，得到铋/碳纳米线复合材料；将铋/碳纳米线复合材料在氧气氛下氧化，得到三氧化二铋/碳纳米线复合材料；接着将三氧化二铋/碳纳米线复合材料在真空下硫化，经溶剂B清洗最终得到晶型结构好、形貌均一的硫化铋单晶/碳纳米线复合材料。本发明方法制备的复合材料极大提高了单晶硫化铋的产量和硫化铋材料的导电性能，对硫化铋在储能和太阳能电池领域的应用有着极其重要的意义。

技术领域

本发明属于单晶纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种硫化铋单晶/碳纳米线复合材料的制备方法。

背景技术

单晶材料因其在结构和物理性质上的独有性质，如对称性、各向异性、均匀性、规则外形和固定熔点，使其在芯片、光电探测器和太阳能电池等领域有着极为重要的应用价值。当前制备单晶材料的主要方法有扩散法、温差法、接触法、挥发法和高压釜等方法。但是，上述制备方法存在着环境污染大、产量低、效率低和能耗大等缺点，严重影响绿色生态环境和节约型能源社会的发展。

硫化铋单晶材料具有环境友好、光电导和非线性光学响应等优点，广泛应用于太阳能电池、光电二级管阵列以及红外光谱学等，也可以应用于制备其它铋基化合物、易切削钢添加剂、微电子工业。但是当前制备硫化铋单晶材料的主要方法为水热和高温硫化法，且得到的产物多为多晶材料，严重影响硫化铋材料的性能和应用。此外，硫化铋在作为储能材料时，合金化反应后体积会增加约90％，并且较低的导电性也限制了硫化铋作为储能负极材料的发展。

因此，我们亟待开发一种导电性好、体积膨胀小、产量高、能耗低和环境友好型的硫化铋单晶材料的制备方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种硫化铋单晶/碳纳米线复合材料的制备方法，该方法先利用过饱和的铋盐纺丝前驱体在纺丝条件下得到铋盐/聚合物纳米线，并结合铋盐的分解还原温度和聚合物碳化温度的不同，对该纳米线进行分步煅烧，使铋盐充分还原和聚合物完全碳化，得到金属铋颗粒含量高且均一地分布在碳纳米线中的铋/碳纳米线复合材料，然后在氧气氛下氧化，提高铋的反应活性，并在真空下进一步硫化得到硫化铋单晶/碳纳米线复合材料。旨在解决现有的纯硫化铋单晶材料导电性差、合金化反应后体积膨胀大且制备产物中多为多晶形态的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种硫化铋单晶/碳纳米线复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

S1、将聚合物和过量铋盐充分溶解于溶剂A中，得到过饱和纺丝前驱体，然后进行静电纺丝，得到铋盐/聚合物纳米线复合材料；

S2、将步骤S1中得到的铋盐/聚合物纳米线复合材料进行多步煅烧，得到铋/碳纳米线复合材料；

S3、将步骤S2中得到的铋/碳纳米线复合材料在氧气氛下氧化，得到三氧化二铋/碳纳米线复合材料；

S4、将步骤S3中得到的三氧化二铋/碳纳米线复合材料在真空下硫化，经溶剂B清洗后得到硫化铋单晶/碳纳米线复合材料。

优选地，步骤S1中，所述聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和聚丙烯腈中的一种或多种，所述铋盐为硝酸铋、氯化铋和乙酸铋中的一种或多种，所述溶剂A为N,N-二甲基甲酰胺或水。

优选地，步骤S1中，所述聚合物、溶剂A和铋盐的质量比为(0.8-1.2):(5-12):(1.0-1.5)。

优选地，步骤S2中，所述多步煅烧具体包括：第一步，在280℃-350℃温度下煅烧1h-3h；第二步，在450℃-650℃温度下煅烧6h-8h；第三步，在750℃-850℃温度下煅烧2h-4h。

优选地，步骤S3中，所述氧化的氧气流量为5mL/min-25mL/min。