[发明专利]一种负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维及其制备方法和用途，本发明利用蚕茧脱胶工艺，原位生长工艺和高温煅烧工艺得到负载Ni纳米颗粒蛋白的纤维材料，其作为锂离子电池负极材料具有良好的电化学性能，可逆循环性能好，比容量高，使用寿命长等。在整个制备过程中，合成方法简单，易于操作，材料制备成本低，设备投资少，适合批量生产。

技术领域

本发明属于能源材料化学领域，具体涉及一种负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维及其制备方法和用途。

背景技术

能源是社会发展的基石。由于锂离子电池能量密度高，使用寿命长，循环稳定性好，环境友好等特点，近几年广泛应用于许多领域，主要包括：交通动力电源领域(电动车，电动汽车等)；电力储能电源领域(水能，风能等)；移动通信电源领域(手机，电脑等)；航天军工电源领域。锂离子电池在充放电过程，锂离子在正负极之间往返的嵌入/脱出。锂离子在负极的反应类型主要有三种：第一种是锂离子嵌入负极材料的层间间隙位置形成锂-层间化合物，如石墨负极(6C+xLi+xe^-＝Li_xC₆)；第二种反应类型为合金反应，如锡锂合金，理论比容量为994mAh/g；第三类反应为转化反应，如过渡金属氧化物与锂发生的化学反应。过渡金属氧化物(NiO)为负极的锂离子电池已经受到广泛关注，制备了很多独特结构并展现了优异的电化学性能，如纳米墙结构(Varghese B等人，Chem.Mater.2008；20:3360–3367)，纳米片结构(Liu L等人，Chem.C 2010；114:251–255)和中空纳米球结构(Xie D等人,Electrochim Acta 2013；92:87–92)。但是镍金属并不与锂离子发生反应，不能直接作为锂离子电池的负极储能材料。研究发现，镍金属能够促进固态电解质界面的稳定，可以增强电化学循环的稳定性。蚕丝作为一种生物质材料，经过脱胶，低温处理可以制得一定碳化程度的碳纤维，可以与锂离子发生脱嵌反应。但是，因为无定形结构碳与锂离子反应时造成结构上的破坏，所以容量衰减很快。在碳纤维管表面涂覆一层镍，可以稳定电化学过程中的结构上的不稳定性，有望作为一种廉价的储能负极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术，提供一种负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维及其制备方法和用途。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维的制备方法，具体包括以下步骤：

1)称取一定量的蚕茧，剪成片状，用无水乙醇进行超声清洗后，转移至一定浓度的碳酸钠Na₂CO₃水溶液中，在100℃下回流60min，冷却后过滤，得到丝素蛋白纤维，将丝素蛋白纤维用蒸馏水洗涤3次，80℃干燥，得到干燥的丝素蛋白纤维；

2)将干燥的丝素蛋白纤维浸泡在一定浓度的乙酸镍水溶液中，搅拌浸泡24h，随后转移到质量浓度为10％的稀氨水溶液中，放置60min，之后在80℃鼓风干燥箱中进行干燥，得到干燥的负载有氢氧化镍的丝素蛋白纤维；

3)将上述负载有氢氧化镍的丝素蛋白纤维在管式炉中N₂氛围下500～800℃煅烧2～4h，自然冷却至室温，得到一种负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维。

所述Na₂CO₃水溶液的浓度为2.0～10g/L；

所述乙酸镍水溶液的浓度为0.02～0.1g/mL；

所述参加反应的物质均为化学纯。

进一步的，本发明还提供了前述制备方法得到的负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维。

进一步的，本发明还提供了所述负载Ni纳米颗粒的蛋白纤维的用途，该蛋白纤维作为锂离子电池负极材料，在100mA/g的电流密度下，充放电循环500次，其放电比容量保持为250mAh/g，库伦效率保持在99.6％以上。