[发明专利]磷化铁纳米片与生物质碳复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种磷化铁纳米片与生物质碳复合的制备方法。通过采用电化学方法将磷化铁纳米片与生物质碳膜复合，得到无需粘结剂的磷化铁/生物质碳集成电极，方法简单，操作方便，材料制备成本低廉；首次将磷化铁与生物质碳材料复合得到复合材料用于钠离子电池负极材料，复合材料电极的储钠性能优异，结构稳定。

技术领域

本发明涉及一种磷化铁纳米片与生物质碳复合材料及其制备方法；本发明同时还涉及该复合材料作为钠离子电池电极材料的应用，属于复合材料及电极材料领域。

背景技术

随着锂离子电池的开发和利用，锂元素在地壳中的储备量逐年降低，开发一种能代替锂离子电池的新型钠离子电池成为一种必然趋势。钠元素在地壳中的丰度较高，价格低廉，钠离子电池的储能机理与锂离子电池类似，适合国家智能电网这样大规模储能技术的应用。而电极材料是钠离子电池技术发展的核心，其中生物质碳材料具有廉价易得，来源丰富，高的导电性，在经过一定处理后可直接作为自支撑电极材料。

生物质碳材料为硬碳材料能够继承生物质前驱体的天然形貌形成多孔材料。目前，多孔材料作为电池的负极材料备受关注，其中随机堆叠的石墨烯层以及纳米孔能够实现钠离子的存储。生物质碳材料所具备的良好的循环性能以及导电性能，被广大研究机构和生产厂家广泛利用。但生物质碳材料偏低的比容量(小于300mAh/g)影响了生物质碳材料作为电极材料的应用。磷化铁电极材料的理论比容量较高(大于500mAh/g)是较理想的钠离子电池的负极材料，但是在嵌钠/脱钠的过程中其严重的体积变化会导致比容量的快速衰减。因此，采用磷化铁纳米片与碳材料复合，发挥两种材料的优势既提高电极材料的比容量又实现材料的稳定性。近年来，合成磷化铁纳米片/碳复合材料的方法多为先制备氧化铁纳米片/碳复合物，再进行进一步磷化得到最终产物，几种常见的磷化方法可以概括为固相磷化法，化学湿法磷化法。这些方法不仅过程繁琐，而且危险系数较高。本发明采用电沉积法获得磷化铁纳米片/生物质碳复合材料，该复合材料显著提高了钠离子电池的循环寿命，目前还未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易操作的电沉积法制备磷化铁纳米片与生物质碳复合材料，复合材料显著提高了钠离子电池的循环寿命。

为实现上述技术目的，本发明提出了一种磷化铁纳米片与生物质碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)生物质碳膜制备：将玉兰树叶置于石墨片之间，然后于700～800℃环境温度下进行1～2小时退火处理，接着置于碱溶液中处理1～2小时，再置于酸溶液中处理9～10h，形成碳膜；

(2)电解液的制备：将不同摩尔比的七水合硫酸铁与次亚磷酸钠混合并溶于甘氨酸与草酸的混合液中，调节溶液的pH值范围为2～3，优选地用硫酸调节pH，得到基础电解液；

(3)复合材料的制备：将步骤(1)得到的生物质碳膜作为工作电极，铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，以步骤(2)得到的溶液作为电沉积电解液，密封电解池中通入氮气，优选地通入氮气10～15分钟，进行电沉积到的复合材料，得到的复合材料用去离子水冲洗若干次，优选地4～5次；

(4)复合材料晶体结构的强化：将步骤(3)得到的复合材料置于管式炉内，通入氮气保护气体，升温速率为1～2℃/min,升温到250～300℃并保温1～2小时后自然冷却至室温。

优选地，步骤(1)中，所述碱溶液为2～3mol/L KOH水溶液，形成的碳膜与KOH水溶液中的KOH的混合质量比为1：2～4。

步骤(1)中，所述的酸溶液为0.5～1mol/L HCl水溶液中。

步骤(2)中，步骤(2)中，七水合硫酸铁与次亚磷酸钠的摩尔比为1：2～2：1；甘氨酸与草酸的摩尔比为(2.2～8.8):0.1；七水合硫酸铁与次亚磷酸钠的混合溶液与甘氨酸与草酸的混合液的体积比为1:1。