[发明专利]一种碳纳米管负载铁氧化物的制备方法和产品及其应用

说明书

本发明属于碳纳米管类材料的复合改性技术领域，公开了一种碳纳米管负载铁氧化物的制备方法和产品及其应用。首先将CNTs在含氧气氛中热处理使得其表面附着含氧基团，然后将其分散于极性溶剂中，加入铁氧化物前驱体，通过二者间产生的静电作用力使得铁氧化物前驱体附着于CNTs表面，在助剂的作用下通过液相反应使得铁氧化物前驱体在原位转化为铁氧化物，制得CNTs负载铁氧化物复合物。CNTs附着的含氧基团中氧的质量分数达到10wt.％以上，附着的铁氧化物的含量可以高达70wt.％。由此获得的CNTs负载铁氧化物的复合材料用于锂离子电池中，能够明显提高循环容量，且仍保持了较高的库伦效率和较好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种碳纳米管类材料的复合改性技术，特别是涉及一种碳纳米管和铁氧化物复合的制备方法。

背景技术

碳材料具有电导率高、抗腐蚀、耐高温、轻质等优异特性，在电化学、电磁兼容等领域得到了广泛的研究和报道。碳纳米管(CNTs)是由单层或多层石墨烯卷曲而成的一维中空管状的碳材料，具有优异的电学、热学和力学等性质，在电磁干扰屏蔽材料与隐形材料、CNTs复合材料、电化学器件、催化剂载体、污水处理等方面具有广泛的应用。在碳纳米管复合材料领域，一般需要先在CNTs表面附着含氧基团，羟基(-OH)、羧基(-COOH)和醚类(C-O-C)等，然后再负载金属氧化物、金属、非金属等，获得CNTs复合物。而以往附着含氧基团的方法主要是通过硝酸、硫酸和硝酸的混合物、硫酸和过氧化氢的混合物、臭氧等试剂的氧化，含氧基团在CNTs的附着将可以增加其极性，使得其具有易溶于水等极性溶剂的特性，并可以将溶液中带正电的负载物前驱体吸附于其表面，并转化为目标产物。基于四氧化三铁(Fe₃O₄)具有价格低廉、环境友好、超顺磁性和优异的电化学性质等特性，在锂离子电池、超级电容器、电磁干扰、磁性记录、催化、医学等领域得到了广泛的研究和报道。而Fe₃O₄和CNTs的复合物将在相关的一些领域表现出更为优异的特性。

在制备CNTs负载Fe₃O₄的报道中，一般是先通过硝酸、硫酸等强腐蚀性的酸进行氧化以附着含氧基团，最终获得Fe₃O₄/CNTs复合物。中国专利CN 109119625A公开了将CNTs分散在质量分数为65％-68％的浓硝酸中后进行高温酸处理，然后将酸化的CNTs分散到去离子水中，加入六水三氯化铁、尿素和酒石酸钠钾，通过水热反应制备了Fe₃O₄/CNTs复合物。中国专利CN 102671661A公开了将多壁碳纳米管(MWCNTs)在浓硫酸、浓硝酸、过氧化氢、过硫酸铵饱和水溶液和重铬酸钾水溶液中的至少一种强氧化剂中回流制得氧化处理的MWCNTs，然后将其与水、含铁化合物和还原剂混合后，通过水热反应制备了Fe₃O₄/CNTs复合物。

但是，上述Fe₃O₄/CNTs复合物的制备中，需要使用大量腐蚀性的强酸和强氧化剂将CNTs氧化，不仅对环境带来污染，而且增加了实验的危险性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，寻求设计一种简单、安全，且利于大规模生产的碳纳米管(CNTs)负载铁氧化物的制备方法和产品及其应用，首先将CNTs在含氧气氛中煅烧使得其表面附着含氧基团，然后将附着含氧基团的CNTs通过表面活性剂的辅助分散于水等极性溶剂，然后加入铁氧化物前驱体，通过二者间产生的静电作用力使得铁氧化物前驱体附着于CNTs表面，在表面助剂的作用下通过液相反应使得铁氧化物前驱体在原位转化为铁氧化物，制得CNTs负载铁氧化物复合物。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种碳纳米管负载铁氧化物的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将CNTs在氧气气氛中以一定的升温速率进行热重测试，以确定CNTs的初始失重温度；