一種碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無機材料合成領域，具體涉及一種碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法。所制備的碳/氧化鉻納米復合材料可作為鋰電的電極材料。
【背景技術】
[0002]納米氧化鉻是一種正在開發并具有廣闊應用前景的無機功能材料，廣泛應用于催化、功能材料、光電材料及有機合成等領域，尤其在鋰電領域的應用潛力非常巨大。高性能鋰離子電池的研宄已成為全球關注的焦點。目前商業化鋰離子電池中采用的電極為石墨，經過大量的研宄、改進工作，目前石墨的實際儲鋰容量也越來越趨近起理論容量(372mAh/g)，因而進一步提高比容量的潛力已非常有限。為滿足高性能鋰離子電池對高容量電極材料的需求，必須研宄開發新型高比容量放電鋰離子電極材料。Cr2O3具有高的鋰存儲容量(1058mAh g4)，在金屬氧化物中的嵌鋰電位相對較低(1.08eV)，且成本低，是一種理想的鋰電電極材料。
[0003]然而，鋰離子嵌入/提取過程中大的體積變化、粉化、電接觸損失、不穩定SEI膜的形成等，使Cr2O3作為鋰電電極材料時面臨著衰減較快的問題。制備碳與Cr 203的復合材料是解決問題的有效途徑之一。碳材料不僅可以緩沖電極體積變化產生的壓力和保持電極在循環過程中的結構完整性，而且還能防止Cr2O3顆粒的團聚。例如李家星等在公開號為CN103151501A的專利中公開了一種氧化絡_石墨稀納米材料的制備方法，該方法以石墨稀為模板，鉻酸鹽為鉻源，在水熱條件下鉻酸鹽在石墨烯原位通過氧化碳原子得到水合氧化鉻-石墨烯納米片，然后進行焙燒處理得到晶化的氧化鉻-石墨烯納米片，該復合材料在鋰電領域具有廣闊的應用前景。Bingkun Guo等(Journal ofPower Sources 2012, 205, 495 -499)以酚醛樹脂、含鉻前驅體和普朗尼克嵌短共聚物在酸性條件下制備得到聚合物復合材料，然后在750°C氬氣氣氛中碳化6h后得到碳與氧化鉻的復合材料；該復合材料與純的氧化絡相比，大大提高了鋰電性能。Ling-Yan Jiang 等(J.Mater.Chem., 2010, 20, 7565 -7569)以草酸、聚乙二醇和水合硝酸鉻為原料，在高壓釜內180°C反應5h后洗滌干燥得到前驅體，然后在750°C氬氣、氫氣的混合氣氛中碳化6h后得到碳與氧化鉻的復合材料；該復合材料與純的氧化鉻相比，大大提高了鋰電性能。以上方法需加入表面活性劑或模板，進行酸度調節等，得到的含有碳源和鉻源的前驅體需再經煅燒得到碳與納米氧化鉻的復合材料，工藝復雜，需要控制的參數比較多，成本較高。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種工藝簡單、高效、低成本制備具有介孔結構的納米碳與氧化鉻復合材料的方法，所制備的碳與氧化鉻納米復合材料作為鋰電正極材料具有良好的電池性會K。
[0005]一種碳/氧化絡納米復合材料的制備方法，其特征在于:其具體步驟如下:
[0006](I)采用鉻源、碳源和胺類有機物為原料；
[0007](2)將各種原料按照一定比例溶解到水中，得到均一溶液；鉻源與碳源的摩爾比為1: (0.25-1)，鉻源與胺類有機物的摩爾比為1: (I?8)；
[0008](3)將上述溶液加熱，溶液蒸發、濃縮形成膠狀物質后發生分解反應，得到碳/氧化鉻納米復合材料。
[0009]其中，步驟(I)中所述的鉻源為硝酸鉻。
[0010]所述的碳源為葡萄糖、檸檬酸、麥芽糖、蔗糖、可溶性淀粉中的一種，
[0011]所述的胺類有機物為尿素、甘氨酸、丙氨酸、賴氨酸中的一種，
[0012]得到的產物為具有介孔結構的碳與氧化鉻的納米復合材料。
[0013]本發明具有如下優點:(1)利用液相中各原料之間的反應制備納米復合材料，與水熱法等相比較，工藝簡便、快捷，可在十幾分鐘內完成；⑵利用液相混合各原料，可實現各原料在分子級別上的均勻混合，使得到的碳與氧化鉻實現納米級復合；(3)熱解反應過程中產生的氣體使復合粉末產生介孔結構，產物比表面積大。(4)所制備的碳與氧化鉻納米復合材料作為鋰電電極極材料具有良好的電池性能，首次放電容量可達到1038mAh/g。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例1，2，4所制備納米氧化鉻顆粒的XRD表征圖。
[0015]圖2a和圖2b分別為50nm和20nm下本發明實施例1所制備納米氧化鉻顆粒的TEM圖，圖2b中插入的圖為本發明實施例1所制備納米氧化鉻顆粒的HRTEM圖。
[0016]圖3為本發明實施例1，2，4所制備納米氧化鉻顆粒的作為鋰電電極的電化學性能圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例對本發明作進一步的闡述，應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后本領域技術人員可以對本發明做各種改動或修改，這些等價同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0018]實施例1:
[0019]將0.025mol的絡源、0.0375mol的碳源、0.1mol的甘氨酸溶于去離子水中，配制成溶液，將溶液置于可控溫電爐上進行加熱。溶液在經歷揮發、濃縮、分解等一系列反應后，得到碳/氧化鉻納米復合材料。XRD表明產物具有良好的氧化鉻結構，TEM圖片表明氧化鉻為多孔結構，氧化鉻為約20nm的顆粒且顆粒分布均勻。鋰電性質測試表明容量在100mA/g下為 1038mAh/g。
[0020]實施例2:
[0021]將0.025mol的絡源、0.025mol的碳源、0.0375mol的甘氨酸溶于去離子水中，配制成溶液，將溶液置于可控溫電爐上進行加熱。溶液在經歷揮發、濃縮、分解等一系列反應后，得到碳/氧化鉻納米復合材料。所得材料結構與實施例1相同，產物由粒徑為41nm左右的氧化鉻顆粒組成且具有介孔結構。鋰電性質測試表明其容量在100mA/g下為914mAh/g。
[0022]實施例3:
[0023]將0.025mol的絡源、0.0375mol的碳源、0.15mol的甘氨酸溶于去離子水中，配制成溶液，將溶液置于可控溫電爐上進行加熱。溶液在經歷揮發、濃縮、分解等一系列反應后，得到碳/氧化鉻納米復合材料。所得材料結構與實施例1相同，產物由粒徑為30nm左右的氧化鉻顆粒組成且具有介孔結構。鋰電性質測試表明其容量在100mA/g下為965mAh/g。
[0024]實施例4:
[0025]將0.025mol的絡源、0.0375mol的碳源、0.0375mol的甘氨酸溶于去離子水中，配制成溶液，將溶液置于可控溫電爐上進行加熱。溶液在經歷揮發、濃縮、分解等一系列反應后，得到碳/氧化鉻納米復合材料。所得材料結構與實施例1相同，產物由粒徑為26nm左右的氧化鉻顆粒組成且具有介孔結構。鋰電性質測試表明其容量在100mA/g下為984mAh/g°
[0026]實施例5:
[0027]將0.025mol的鉻源、0.0125mol的碳源、0.1mol的尿素溶于去離子水中，配制成溶液，將溶液置于可控溫電爐上進行加熱。溶液在經歷揮發、濃縮、分解等一系列反應后，得到碳/氧化鉻納米復合材料。所得材料結構與實施例1相同，產物由粒徑為37nm左右的氧化鉻顆粒組成且具有介孔結構。鋰電性質測試表明起容量在100mA/g下為939mAh/g。
[0028]實施例6:
[0029]將0.025mol的絡源、0.0375mol的碳源、0.15mol的尿素溶于去離子水中，配制成溶液，將溶液置于可控溫電爐上進行加熱。溶液在經歷揮發、濃縮、分解等一系列反應后，得到碳/氧化鉻納米復合材料。所得材料結構與實施例1相同，產物由粒徑為39nm左右的氧化鉻顆粒組成且具有介孔結構。鋰電性質測試表明其容量在100mA/g下為923mAh/g。
【主權項】
1.一種碳/氧化絡納米復合材料的制備方法，其特征在于: (1)采用鉻源、碳源和胺類有機物為原料； (2)將各種原料按照一定比例溶解到水中，得到均一溶液；鉻源與碳源的摩爾比為1: (0.25-1)，鉻源與胺類有機物的摩爾比為1: (I?8)； (3)將上述溶液加熱，溶液蒸發、濃縮形成膠狀物質后發生分解反應，得到碳/氧化鉻納米復合材料。
2.根據權利要求1所述的一種碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法，其特征在于(I)步驟中所述的鉻源為硝酸鉻。
3.根據權利要求1所述的碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法，其特征在于(I)步驟中所述的碳源為葡萄糖、檸檬酸、麥芽糖、蔗糖、可溶性淀粉中的一種。
4.根據權利要求1所述的碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法，其特征在于(I)步驟中所述的胺類有機物為尿素、甘氨酸、丙氨酸、賴氨酸中的一種。
5.根據權利要求1所述的碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法，其特征在于:得到的產物為具有介孔結構的碳與氧化鉻的納米復合材料。
6.根據權利要求1所述的碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法，其特征在于:所制備的碳/氧化鉻納米復合材料作為鋰電電極材料具有良好的電池性能，首次放電容量可達到1038mAh/g。
【專利摘要】本發明公開了一種碳/氧化鉻納米復合材料的制備方法，屬于無機材料合成領域。本發明采用鉻源、碳源和胺類有機物為原料，一步反應得到碳/氧化鉻納米復合材料，不需要任何后續處理。本方法生產成本低，生產工藝簡單，易于產業化大規模生產，整個工藝不生產含鉻廢棄物，是一種對環境清潔友好的制備納米氧化鉻和碳復合材料的方法。本發明不需要模板、不需要表面活性劑、不需要沉淀劑，制備的納米氧化鉻純度高，分散性好，比表面積大。可用于催化合成和功能材料等領域，特別是鋰電材料領域具有廣闊的應用前景。
【IPC分類】H01M4-48, H01M4-36, B82Y30-00
【公開號】CN104733715
【申請號】CN201510134803
【發明人】秦明禮, 曹知勤, 顧月茹, 曲選輝, 黃敏, 吳昊陽, 賈寶瑞
【申請人】北京科技大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月25日