一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法及应用，本发明专利技术通过前期对蒲公英等绒毛类植物进行前期碱活化处理，使得碳管内部存在较多类似于羟基和羧基的含氧官能团，采用微波‑紫外‑超声的合成模式，可以促进碳骨架对SnO2颗粒的吸附，有效的缓解了在充放电过程中SnO2的体积膨胀问题，最终得到一种管状生物碳包覆SnO2结构。本发明专利技术的制备方法简单，反应温度低，反应周期短，工艺设备简单，无需后续处理，对环境友好，适合大规模生产。

Preparation method and application of tubular biological carbon coated SnO2 structure composite powder

The invention relates to a tubular biological carbon coated SnO2 composite powder preparation method and the application of the invention by pre pre alkali on dandelion fluff plant activated carbon tube, making internal oxygen containing groups are more similar to the hydroxyl and carboxyl groups, was synthesized by microwave mode UV ultrasound. Can promote the adsorption of carbon skeleton of SnO2 particles, effectively alleviate SnO2 in the process of charge and discharge volume expansion, resulting in a tubular biological carbon coated SnO2 structure. The preparation method has the advantages of simple preparation method, low reaction temperature, short reaction period, simple process equipment, no need for subsequent processing, environmental friendliness and suitability for large-scale production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种SnO2/生物碳复合材料的制备方法，具体涉及一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法及应用。
技术介绍
随着科技的发展和信息社会的到来，对化学电源的要求强度逐渐增大。锂离子电池具有高电压、高比能量的特点，因此在便携式电源应用中得到长足发展，但锂元素昂贵且地壳中含量少，随着其逐渐应用于电动汽车，锂的需求量将大大增加。而锂的储量有限且储藏分布不均匀，会制约长寿命储能电池的大规模发展[刘春娜.国外钠离子电池研究进展[J].电源技术,2014,38(1)：12-13.]。因此开发其他种类电池势在必行。钠离子电池是目前最具研究价值的电池之一。与锂离子电池相比，其优势在于其密度高，这意味着它们质量更大可以储存更多能量，适合用于大规模储能。同时，其原料资源丰富易得，成本低廉；能用来分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐，电解质的选择范围更宽；有相对稳定的电化学性能，使用更加安全。因此，它们能负担起可持续绿色能源开发的重任，具有强大的生命力和发展潜质[叶飞鹏,王莉,连芳等.钠离子电池研究进展[J].化工进展,2013,32(8)：1789-1795.]。但是，钠离子电池负极材料的筛选面临一些问题。由于钠离子半径大于锂离子半径，传统商品化的锂离子负极材料石墨层间距过小，并不适合钠离子的嵌入和脱出[苗艳丽,刘兴江.钠离子电池负极材料研究进展[J].电源技术,2015,39(2)：23-25.]，需要具有更大层间距或孔隙的碳材料及合金等其它储钠材料。在储钠负极材料中，碳基负极材料是研究最为广泛的材料。为了得到最适宜钠嵌入的碳材料，除了利用模板法进行碳的组装，还可利用天然存在的植物来制备。目前研究者们已经发现，泥煤苔[JiaD,HuanleiW,ZhiL,etal.Carbonnanosheetframeworksderivedfrompeatmossashighperformancesodiumionbatteryanodes.[J].AcsNano,2013,7(12)：11004-11015.]、香蕉皮[LotfabadEM,DingJ,CuiK,etal.High-DensitySodiumandLithiumIonBatteryAnodesfromBananaPeels[J].AcsNano,2014,8(7)：7115-7129.]、蔗糖[HongKL,LongQ,ZengR,etal.Biomassderivedhardcarbonusedasahighperformanceanodematerialforsodiumionbatteries[J].J.mater.chem.a,2014,2(32)：12733-12738.]、花生壳[LvW,WenF,XiangJ,etal.Peanutshellderivedhardcarbonasultralongcyclinganodesforlithiumandsodiumbatteries[J].ElectrochimicaActa,2015,176：533-541.]等均可以用来制备适宜钠离子嵌入脱出的碳负极材料。这种碳材料的优点在于在原有材料的基础上形成多级分布的孔隙结构，增大电解液和材料的接触面积，提升碳材料的电化学性能。但是其制备工艺较为复杂，且层与层、颗粒与颗粒之间为无序堆积，不利于电解液的完全渗透。在对负极材料的研究中，发现氧化锡基负极材料具有储钠容量高、与Na+反应电势低、能量密度高、安全性能好、低成本、无污染的特点。不仅如此，二氧化锡还具有丰富的资源，价格也便宜，是一类很好的钠离子电池负极材料。然而，氧化锡基负极材料存在一些问题，(I)在Na+脱嵌的过程中电极存在着巨大的体积变化；(II)氧化锡作为钠离子电池负极材料，与Na+的第一步电化学反应不可逆，造成了比较大的不可逆容量，使这类材料库伦效率低下，这极大地影响了这类材料在实际中的应用。
技术实现思路
为解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法及应用。本专利技术制得的多孔管状SnO2/生物碳复合粉体可以用作钠离子二次电池负极材料，由于其具有更小的粒径和更高的比表面积，可以提高材料的电化学性能。一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法，包括以下步骤：(1)将采集的绒毛类植物去籽、洗净、烘干，得到物质A；(2)将物质A置于管式炉中，先按照1～10℃·min-1速率升温至400～1200℃，再保温煅烧1～5h，得到物质B；(3)将KOH、K2CO3、KHCO3以质量比为1：(1～2.5)：(0.1～0.5)进行混合至均匀，得到物质C；(4)将物质B与物质C以质量比为1：(0.5～3.5)混合至均匀，得到物质D；(5)向物质D中加入SnCl2溶液，搅拌均匀，得到溶液E，其中，物质D和SnCl2的质量比为(1-5)：1；(6)将溶液E置于微波-紫外-超声波三位一体合成萃取反应仪中，采用微波-紫外-超声的合成模式，将微波、紫外灯和超声波同时作用于溶液E，使溶液E以10℃/min的升温速率由室温升温到50～150℃，微波功率为200～400W，保温至反应完全，然后冷却到室温，得到悬浮液F；(7)将悬浮液F离心分离得到粉体物质G，再将粉体物质G用溶剂浸泡，并洗涤、干燥，得到多孔管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体。步骤(2)中，将物质A置于白色瓷舟中，再放入管式炉中煅烧。步骤(2)中，煅烧的保护气氛为氩气，氩气气流流速0.1～1sccm·min-1。步骤(5)中，SnCl2溶液浓度为0.5～3.5mol/L。步骤(6)中，粉体物质G分别用去离子水和无水乙醇浸泡，并反复洗涤。步骤(6)中，保温时间20～120min。所述的复合粉体中，SnO2颗粒均匀的包覆在碳管表面及内部，形成良好的生物碳包覆SnO2结构形状；SnO2颗粒粒径为100～120nm。所述的绒毛类植物为枇杷、杜鹃花、菊花、蒲公英。管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体在钠离子电池负极材料中的应用。相对于现有技术，本专利技术具有以下优点：本专利技术通过前期对蒲公英等绒毛类植物进行前期碱活化处理，使得碳管内部存在较多类似于羟基和羧基的含氧官能团，采用微波-紫外-超声的合成模式，可以促进碳骨架对SnO2颗粒的吸附，有效的缓解了在充放电过程中SnO2的体积膨胀问题，最终得到一种管状生物碳包覆SnO2结构。具体的优点表现为：(1)本专利技术以蒲公英等多种纤维状植物为原料制备多孔碳材料，纤维状植物易于形成管状，在化学处理和热处理的共同作用下，经过碱活化过程在其表面形成含氧官能团，从而形成三维多孔管状的具有稳定可控的结构；(2)本专利技术采用微波-紫外-超声工艺制备多孔管状SnO2/生物碳复合粉体，微波、紫外、超声均可以为化学反应提供能量，促进化学反应均匀、快速、充分地进行。(3)采用不同的碱混合进行活化，通过控制碱和生物碳的反应比例和不同的煅烧温度，由于碱和碳在高温下的反应速率不同，可以产生不同多级分布的孔径并且在表面产生负载二氧化锡结构；本专利技术制得的多孔管状SnO2/生物碳复合粉体化学组成均一，纯度较高，形貌均一且粒径均匀，均为管状结构；本专利技术制得的多孔管状SnO2/生物碳复合粉体可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将采集的绒毛类植物去籽、洗净、烘干，得到物质A；(2)将物质A置于管式炉中，先按照1～10℃·min‑1速率升温至400～1200℃，再保温煅烧1～5h，得到物质B；(3)将KOH、K2CO3、KHCO3以质量比为1：(1～2.5)：(0.1～0.5)进行混合至均匀，得到物质C；(4)将物质B与物质C以质量比为1：(0.5～3.5)混合至均匀，得到物质D；(5)向物质D中加入SnCl2溶液，搅拌均匀，得到溶液E，其中，物质D和SnCl2的质量比为(1‑5)：1；(6)将溶液E置于微波‑紫外‑超声波三位一体合成萃取反应仪中，采用微波‑紫外‑超声的合成模式，将微波、紫外灯和超声波同时作用于溶液E，使溶液E以10℃/min的升温速率由室温升温到50～150℃，微波功率为200～400W，保温至反应完全，然后冷却到室温，得到悬浮液F；(7)将悬浮液F离心分离得到粉体物质G，再将粉体物质G用溶剂浸泡，并洗涤、干燥，得到多孔管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体。

【技术特征摘要】
1.一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将采集的绒毛类植物去籽、洗净、烘干，得到物质A；(2)将物质A置于管式炉中，先按照1～10℃·min-1速率升温至400～1200℃，再保温煅烧1～5h，得到物质B；(3)将KOH、K2CO3、KHCO3以质量比为1：(1～2.5)：(0.1～0.5)进行混合至均匀，得到物质C；(4)将物质B与物质C以质量比为1：(0.5～3.5)混合至均匀，得到物质D；(5)向物质D中加入SnCl2溶液，搅拌均匀，得到溶液E，其中，物质D和SnCl2的质量比为(1-5)：1；(6)将溶液E置于微波-紫外-超声波三位一体合成萃取反应仪中，采用微波-紫外-超声的合成模式，将微波、紫外灯和超声波同时作用于溶液E，使溶液E以10℃/min的升温速率由室温升温到50～150℃，微波功率为200～400W，保温至反应完全，然后冷却到室温，得到悬浮液F；(7)将悬浮液F离心分离得到粉体物质G，再将粉体物质G用溶剂浸泡，并洗涤、干燥，得到多孔管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体。2.根据权利要求1所述的一种管状生物碳包覆SnO2结构复合粉体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将物质A置于白色瓷舟中，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建鹏，王彩薇，许占位，孔硌，程娅伊，赵肖肖，罗晓敏，朱东岳，朱锋，张欣欣，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61