一种管状二氧化锡、碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种管状二氧化锡、碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法及应用；首先，制备纳米级棒状羟基锡酸铜前驱物，再将其在酸性溶液中经水热反应制备二氧化锡纳米管，后再用多巴胺对二氧化锡纳米管进行碳包覆；管状二氧化锡纳米材料可作为气体传感器进行应用，在应用于气体传感器时，其中空结构有利于气体分子的在敏感膜内扩散传递，从而使其对空气中的有机挥发性气体有很高的敏感响应。碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料可作为锂离子电池的负极活性物质进行应用，在应用于锂离子电池时，其能很好的缓冲二氧化锡在充放电过程中的体积效应，提高了负极材料的导电性，从而提高锂电池的循环稳定性和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种管状二氧化锡、碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法及应用
本专利技术属于微纳米材料
，具体涉及一种管状二氧化锡、碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法及应用，具体为管状二氧化锡的制备方法及其在气体传感器中的应用、碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用。
技术介绍
随着化石能源的不断减少，便携式电子设备和新能源汽车的使用不断增多，人们对于高能量密度和高稳定性的锂离子电池的需求更加迫切。目前，商业化锂离子电池的负极材料主要为碳基材料，而碳基材料的理论容量仅为372mAhg-1且倍率性能较差，已不能满足当前日益增长的能量需求。其中，二氧化锡由于其较低的嵌锂电位(小于0.5VLi+/Li)和较高的理论容量(782mAhg-1)，被认为是碳材料的代替者之一。然而，二氧化锡自身导电性较差，且在充放电过程中，往往伴随着较大的体积变化，循环期间锂离子的反复嵌入与脱出极易引起电极材料的粉化和团聚，从而导致循环稳定性较差。因此，如何有效缓解体积效应和粉化现象，已经成为当前研究二氧化锡负极材料的关键。目前，研究者们主要通过合成纳米尺寸的二氧化锡以及构建复合材料来有效解决上述问题。但是现有技术中的二氧化锡纳米材料及其复合材料的制备方法较为繁复，应用领域也较为局限。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种管状二氧化锡、碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法及应用。本专利技术首先制备得到了管状二氧化锡纳米材料，并通碳包覆制备得到碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料。管状二氧化锡纳米材料可作为气体传感器进行应用，在应用于气体传感器时，其中空结构有利于气体分子的在敏感膜内扩散传递，从而使其对空气中的有机挥发性气体有很高的敏感响应。碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料可作为锂离子电池的负极活性物质进行应用，在应用于锂离子电池时，其能很好的缓冲二氧化锡在充放电过程中的体积效应，提高了负极材料的导电性，从而提高锂电池的循环稳定性和倍率性能。本专利技术采取的技术方案为：一种管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将锡盐溶解在去离子水中，加入氢氧化钠调节其为强碱性，然后向其中加入铜盐的水溶液，搅拌均匀后，进行静置陈化，然后经过滤、洗涤、干燥，得到纳米棒状羟基锡酸铜前驱物；(2)将步骤(1)得到的纳米棒状羟基锡酸铜前驱物分散于酸性溶液中，再将混合液转移至反应釜中进行水热反应，反应结束后，经离心、洗涤、干燥、得到管状二氧化锡纳米材料；进一步地，步骤(1)中，锡盐与铜盐的摩尔比为1:1；所述静置陈化的条件为10～75℃静置陈化0.2～10h，优选为20～45℃静置陈化1～5h。步骤(1)中，所述强碱性指的是pH为12.6～14.0。步骤(1)中，所述锡盐为五水合四氯化锡；所述铜盐为二水合氯化铜、五水合硫酸铜、三水合硝酸铜中的一种或多种，优选为二水合氯化铜。步骤(2)中，纳米棒状羟基锡酸铜前驱物在酸性溶液中的浓度为0.5～20g/L，优选1～10g/L；所述酸性溶液为将乙酸、草酸、盐酸、硝酸、硫酸或磷酸中的一种或多种溶解在去离子水中所得的溶液。进一步地，所述乙酸、草酸、盐酸或硝酸与纳米棒状羟基锡酸铜前驱物的摩尔比为2:1～5:1，优选2.2:1～3:1；硫酸或磷酸与纳米棒状羟基锡酸铜前驱物的摩尔比为1:1～3:1，优选1.1:1～1.5:1。步骤(2)中，所述水热反应的条件为130～230℃反应8～24h，优选为170～200℃反应10～15h。本专利技术还提供了所述管状二氧化锡纳米材料在气体传感器中的应用，基于本专利技术的制备方法制备的管状二氧化锡纳米材料的气体传感器，其对乙醇、丙酮、异丙醇、氨水、苯、甲苯、甲醇和甲醛等气体均具有较高的敏感响应，且稳定性好。本专利技术还提供了一种碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：将上述制备得到的管状二氧化锡纳米材料分散在去离子水中，加入三羟甲基氨基甲烷，调节体系的pH至6～10，再加入盐酸多巴胺，进行搅拌反应，反应结束后产物经过滤、洗涤、干燥，然后在氮气的保护下进行热处理，即可得到碳包覆管状二氧化锡复合材料。进一步地，反应体系中，所述管状二氧化锡纳米材料、三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺的质量浓度比为(0.5～30.0)：(10.0～30.0)：(0.05～9.0)，优选(5～10)：(18.0～22.0)：(0.5～3.0)；所述管状二氧化锡纳米材料在去离子水中的浓度为0.5～30.0g/L，优选为5～10g/L。所述搅拌反应的条件为5～40℃搅拌反应12～30h，优选15～30℃搅拌反应18～24h；所述热处理的条件为350～550℃加热2～10h，优选400～500℃加热4～6h。使用盐酸、硝酸、硫酸和磷酸中的一种或多种调节体系的pH至6～10，优选7.5～9。本专利技术还提供了所述碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料在锂离子电池中的应用，其可作为锂离子电池的负极活性物质。本专利技术还提供了一种锂电池负极，以所述的制备方法制备得到的碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料为活性物质制备得到。本专利技术还提供了一种锂电池，以所述的锂电池负极为负极组装而成。其具有良好的稳定性，在电流密度为200mAg-1时，循环100次后电池容量仍然高达834mAhg-1。本专利技术提供的碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法中，首先以氢氧化钠、锡盐、铜盐为原料合成羟基锡酸铜(CuSn(OH)6)前驱体。锡盐、铜盐选自五水合四氯化锡、二水合氯化铜时，其反应过程的化学反应式如下：SnCl4+6NaOH+CuCl2→CuSn(OH)6↓+6NaCl然后，将棒状CuSn(OH)6前驱体与酸性溶液在水热条件下反应，合成制备管状二氧化锡材料，酸性溶液选自乙酸时，其化学反应式如下：CuSn(OH)6+2CH3COOH→(CH3COO)2Cu+SnO2+4H2O上述反应的生成物(CH3COO)2Cu能溶于水，选自其他酸性溶液时，对应的生成物也能溶于水，因此能够得到纯净的沉淀产物二氧化锡。因反应属于异相反应，且上述化学反应主要在棒状CuSn(OH)6前驱体的表面进行，表面的CuSn(OH)6转化成二氧化锡后，CuSn(OH)6棒内部物质扩散到外表面继续与乙酸反应，最终形成了二氧化锡纳米管。最后，分散在水中的管状二氧化锡纳米材料，在三羟甲基氨基甲烷和盐酸形成的缓冲溶液的调节下，使多巴胺聚合后能均匀包覆到二氧化锡纳米管的表面，然后通过热处理，使均匀包覆到二氧化锡纳米管表面的聚多巴胺薄膜碳化，得到碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料。本专利技术提供的技术方案中，首先通过控制反应条件和反应物用量，获得了形貌均匀的纳米级棒状羟基锡酸铜(CuSn(OH)6)前驱物材料；再通过调控酸的种类和用量，水热反应的温度和时间，获得了管状二氧化锡纳米材料；最后再用多巴胺对二氧化锡纳米管进行碳包覆。本专利技术公开的碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管状二氧化锡纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：/n(1)将锡盐溶解在去离子水中，加入氢氧化钠调节其为强碱性，然后向其中加入铜盐的水溶液，搅拌均匀后，进行静置陈化，然后经过滤、洗涤、干燥，得到纳米棒状羟基锡酸铜前驱物；/n(2)将步骤(1)得到的纳米棒状羟基锡酸铜前驱物分散于酸性溶液中，再将混合液转移至反应釜中进行水热反应，反应结束后，经离心、洗涤、干燥、得到管状二氧化锡纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种管状二氧化锡纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将锡盐溶解在去离子水中，加入氢氧化钠调节其为强碱性，然后向其中加入铜盐的水溶液，搅拌均匀后，进行静置陈化，然后经过滤、洗涤、干燥，得到纳米棒状羟基锡酸铜前驱物；
(2)将步骤(1)得到的纳米棒状羟基锡酸铜前驱物分散于酸性溶液中，再将混合液转移至反应釜中进行水热反应，反应结束后，经离心、洗涤、干燥、得到管状二氧化锡纳米材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，锡盐与铜盐的摩尔比为1:1；纳米棒状羟基锡酸铜前驱物在酸性溶液中的浓度为0.5～20g/L。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水热反应的条件为130～230℃反应8～24h。


4.如权利要求1所述的制备方法制备得到的管状二氧化锡纳米在气体传感器中的应用。


5.一种碳包覆管状二氧化锡纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将利用权利要求1-3任意一项所述的制备方法制备得到的管状二氧化锡纳米材料分散在去离子水...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊海，温梓莹，黄家锐，
申请(专利权)人：滁州学院，
类型：发明
国别省市：安徽;34