C的碳納米網(wǎng)的制備方法、用該方法制備的碳納米網(wǎng)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，涉及一種碳納米網(wǎng)，具體涉及一種含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)的制備方法及用該方法制備的碳納米網(wǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002]納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用，這得益于它奇異的構(gòu)造以及其可調(diào)和的物理及化學(xué)性能。合成納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)普遍的方法是使用模板。比如說，He et am道了利用穩(wěn)定的NaCl顆粒作為合成石墨納米網(wǎng)的方法；Wei et aJ利用石墨稀/娃納米片模板實(shí)現(xiàn)了對(duì)氮摻雜的碳納米片上孔隙率的控制Jung et aJ利用嵌段共聚物作為模板合成了非常整齊的薄膜納米孔陣列。但是，模板法通常很浪費(fèi)時(shí)間而且成本較高，這是因?yàn)樾枰铣赡０宥覍?shí)驗(yàn)步驟很多。因此我們迫切需要一種簡易的無模板法來合成納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)的材料。
[0003]最近，鐵基材料在鋰電池領(lǐng)域表現(xiàn)出很好的性能，比如說Fe3C及其衍生物，它們有很多優(yōu)點(diǎn)，例如理論容量高，無毒，含量豐富，不易腐蝕，價(jià)格低等。但是據(jù)我們所知，F(xiàn)e3C基材料通常作為高性能的磁體和催化劑，另外，碳化物很少用于鋰離子電池，原因有兩個(gè)，一個(gè)是在循環(huán)過程中的體積膨脹和收縮，另一個(gè)是純碳化物的導(dǎo)電性低。為了解決以上棘手的問題，提出了很多方法來提升電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這個(gè)問題可以通過制造不同形貌的納米結(jié)構(gòu)的電極材料得以部分解決，包括納米顆粒，納米片，納米線，納米棒，納米管，以及空心納米結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)的材料與微米量級(jí)的材料相比，能更好地調(diào)和鋰嵌入脫出過程中的張力。另一種方法是把碳質(zhì)母體整合到活性材料中合成混合納米結(jié)構(gòu)的材料。很明顯，混合物材料中的碳有以下幾個(gè)功能:在導(dǎo)電性差的材料中作為導(dǎo)電添加劑提升電子傳輸，作為彈性緩沖支撐以提升電極的穩(wěn)定性。為了能進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，用高效節(jié)能的方法制備可持續(xù)性材料的概念很重要，比如說可再生的有機(jī)方法。很多研究都通過有機(jī)方法制造鋰離子電池電極材料。聚吡咯，作為氮摻雜的一種碳源，是一種有著很好的導(dǎo)電性，儲(chǔ)能性能，氧化還原和電容性電流以及熱學(xué)和環(huán)境穩(wěn)定性的有機(jī)聚合物材料。另外，一定量的氮摻雜可以提升材料的表面濕潤度，容量以及電子導(dǎo)電性，同時(shí)保持很好的循環(huán)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)的制備方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)的制備方法，它包括以下步驟:
Ca)將吡咯單體加入水中進(jìn)行聚合反應(yīng)得聚吡咯球分散液；
(b)向所述分散液中加入亞鐵鹽進(jìn)行配合反應(yīng)，烘干后得PPy-Fe配合物；
(C)將所述PPy-Fe配合物置于還原性氣氛中進(jìn)行煅燒碳化即可。
[0006]優(yōu)化地，步驟(a)中，所述聚合反應(yīng)為在雙氧水溶液和FeCl2.4H20的引發(fā)下于0~30°C攪拌反應(yīng)3~8小時(shí)。
[0007]進(jìn)一步地，步驟(a)中，吡咯單體、雙氧水溶液、FeCl2.4H20和水的比例為l~5ml:8~15ml:0.1—0.5g:80~150ml。
[0008]進(jìn)一步地，步驟(a)中，先向水中加入吡咯單體、FeCl2.4Η20，隨后滴加雙氧水溶液進(jìn)行聚合反應(yīng)。
[0009]優(yōu)化地，步驟(b)中，向所述分散液中加入FeCl2.4H20，隨后滴加雙氧水溶液進(jìn)行配合反應(yīng)24小時(shí)以上使分散液變澄清透明，分散液、FeCl2.4H20和雙氧水溶液的比例為80?150ml:0.3?0.5g: 15?25ml。
[0010]進(jìn)一步地，所述雙氧水溶液中H2O2的質(zhì)量濃度為20~35%。
[0011]優(yōu)化地，步驟(C)中，所述還原性氣氛為氬氣和氫氣組成，其體積流量比為3~8:1，煅燒溫度為600~1100°C。
[0012]本發(fā)明的又一目的在于提供一種上述方法制備的含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)。
[0013]本發(fā)明的再一目的在于提供一種含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。
[0014]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)的制備方法，使用了一種簡易的無模板的方法合成了包含有Fe/Fe3C的氮摻雜的碳納米網(wǎng)眼材料(簡稱N-Fe/Fe3C@C)，使得Fe/Fe3C被碳納米材料包覆，避免了 Fe/Fe3C直接暴露在電解液中而保護(hù)了 Fe/Fe3C的結(jié)構(gòu)和表面穩(wěn)定性，另一方面還很好地調(diào)和了由Fe/Fe3C體積膨脹而產(chǎn)生的機(jī)械張力，抑制了 Fe/Fe3C的聚合，因此保持了結(jié)構(gòu)和電學(xué)完整性。因此，這種電極材料表現(xiàn)出很高的可逆比容量，倍率性能很不錯(cuò)，特別是穩(wěn)定性很好。值得注意的是，材料和制作方法都可進(jìn)行大規(guī)模制備，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用很有吸引力。
【附圖說明】
[0015]附圖1為本發(fā)明含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)的制備方法中混合液的狀態(tài)變化圖；
附圖2為本發(fā)明含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)制備方法的步驟示意圖；
附圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的N-Fe/Fe3C@C的掃描電鏡圖；
附圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的N-Fe/Fe3C@C的掃描電鏡圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例2制備的N-Fe/Fe3C@C的倍率及循環(huán)性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明含F(xiàn)e/Fe3C的碳納米網(wǎng)的制備方法，它包括以下步驟:Ca)將吡咯單體加入水中進(jìn)行聚合反應(yīng)得聚吡咯球分散液；(b)向所述分散液中加入亞鐵鹽進(jìn)行配合反應(yīng)，烘干后得PPy-Fe配合物；(c)將所述PPy-Fe配合物置于還原性氣氛中進(jìn)行煅燒碳化即可，如圖2所示。使用了一種簡易的無模板的方法合成了包含有Fe/Fe3C的氮摻雜的碳納米網(wǎng)眼材料(簡稱N-Fe/Fe3C@C)，使得Fe/Fe3C被碳納米材料包覆，避免了 Fe/Fe3C直接暴露在電解液中而保護(hù)了 Fe/Fe3C的結(jié)構(gòu)和表面穩(wěn)定性，另一方面還很好地調(diào)和了由積膨脹而產(chǎn)生的機(jī)械張力，抑制了 Fe/Fe3C的聚合，因此保持了結(jié)構(gòu)和電學(xué)完整性。因此，這種電極材料表現(xiàn)出很高的可逆比容量，倍率性能很不錯(cuò)，特別是穩(wěn)定性很好。值得注意的是，材料和制作方法都可進(jìn)行大規(guī)模制備，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用很有吸引力。
[0017]步驟(a)中，所述聚合反應(yīng)為在雙氧水溶液和FeCl2.4Η20的引發(fā)下于0~30°C攪拌反應(yīng)3~8小時(shí)。吡咯單體、雙氧水溶液、FeCl2.4Η20和水的比例為l~5ml:8~15ml:0.1-0.5g:80~150ml。步驟(a)中，先向水中加入吡咯單體、FeCl2.4H20，隨后滴加雙氧水溶液進(jìn)行聚合反應(yīng)。
[0018]步驟(b)中，向所述分散液中加入FeCl2.4Η20，隨后滴加雙氧水溶液進(jìn)行配合反應(yīng)24小時(shí)以上使分散液變澄清透明如圖1所示，分散液、FeCl2.4Η20和雙氧水溶液的比例為80~150ml:0.3-0.5g:15~25ml。所述雙氧水溶液中H2O2的質(zhì)量濃度為20~35%。
[0019]步驟(c)中，所述還原性氣氛為氬氣和氫氣組成，其體積流量比為3~8:1，煅燒溫度為 600~1100°C。
[0020]將制得N-Fe/Fe3C@C、乙炔黑、PTFE粘結(jié)劑以7:2:1的質(zhì)量比混合，涂在泡沫鎳上制成電極，電極片在60°C下真空干燥24h