一種納米鐵硒化合物的制備方法及鈉離子電池技術

本發明專利技術屬于過渡硒化物制備相關技術領域，其公開了一種納米鐵硒化合物的制備方法，其包括以下步驟：(1)將純度大于99％的商業普魯士藍密封在充滿惰性氣氛的容器內，并將所述容器進行燒結，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的金屬鐵顆粒；(2)將所述金屬鐵顆粒與純度大于99％的硒粉在惰性保護氣氛下研磨混合均勻后密封在充滿惰性氣氛的容器內，并進行燒結、冷卻以得到產物；(3)將得到的所述產物在惰性保護氣氛下升溫至650℃，并保持4小時，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的鐵硒化合物。本發明專利技術還涉及采用如上所述的制備方法制備的鐵硒化合物作為負極材料的鈉離子電池。

【技術實現步驟摘要】
一種納米鐵硒化合物的制備方法及鈉離子電池
本專利技術屬于過渡金屬硒化物制備相關
，更具體地，涉及一種納米鐵硒化合物的制備方法及鈉離子電池。
技術介紹
過渡金屬硒化合物是金屬與硒形成的一類二元材料或者多元材料的總稱，具有非常重要的研究意義和潛在利用價值，比如FeSe被報道在相當低的溫度下能夠表現出超導現象，而Fe7Se8是一種層狀結構(NiAs-type)的過渡金屬鐵硒化合物，由于其中含有電活性的鐵，因此有望在鈉離子電池中作為負極材料。Fe7Se8的合成方法主要集中在高溫固相法及溶液離子交換方法上：(1)高溫固相法主要是以單質Fe、Se為原料，按化學計量比配料并把原料裝入真空石英管中，在馬弗爐中隨著溫度梯度分別在600℃、900℃分別保持48小時和24小時，最后需要升溫至1050℃進行反應，如文獻(A.Okazaki,ThevariationofsuperstructureinironselenideFe7Se8.J.Phys.Soc.Jpn.14,112–113(1959))公開：1995年，Okazaki就采用高溫固相法合成了鐵硒化合物的晶體；(2)溶液離子交換的方法，經典的合成過程是使用FeSO4和Na2SeO3為前驅體，并混合形成溶液，再將溶液裝入高壓反應釜中，通過140℃水熱反應12小時，并將得到的沉淀通過離心收集，顆粒尺寸在100nm以上。然而，高溫固相法生成的相往往不純，并且反應時間很長，反應過程復雜；溶液離子交換晶體生長的方法產量較低，同時得到的顆粒尺度較大，都在100nm以上；且目前對Fe7Se8納米顆粒包覆碳層的研究較少。相應地，本領域存在著發展一種能夠簡單高效合成納米鐵硒化合物的方法的技術需求。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術提供了一種納米鐵硒化合物的制備方法，其基于現有納米鐵硒化合物的制備特點，對納米鐵硒化合物的制備方法進行了設計。所述納米鐵硒化合物的制備方法通過利用商業化的普魯士藍作為鐵源，首先獲得氮參雜的石墨化碳層包覆的納米單質鐵，使納米單質鐵和硒粉在一定溫度下反應而直接生成氮參雜的石墨化碳層包覆的納米鐵硒化合物(如Fe7Se8/C)，由此有效解決過渡金屬鐵硒化合物合成條件苛刻、工藝繁瑣、產物不純的問題，并且制備得到的納米鐵硒化合物被氮參雜的石墨化碳層包覆均勻，不僅能夠防止納米顆粒團聚，還可以保護鐵硒化合物。為實現上述目的，按照本專利技術的一個方面，提供了一種納米鐵硒化合物的制備方法，其包括以下步驟：(1)將純度大于99％的商業普魯士藍密封在充滿惰性氣氛的容器內，并將所述容器進行燒結，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的金屬鐵顆粒；(2)將所述金屬鐵顆粒與純度大于99％的硒粉在惰性保護氣氛下研磨混合均勻后密封在充滿惰性氣氛的容器內，并進行燒結、冷卻以得到產物；(3)將得到的所述產物在惰性保護氣氛下升溫至650℃，并保持4小時，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的鐵硒化合物。進一步地，所述金屬鐵顆粒的粒徑為50nm～100nm；所述氮摻雜的石墨化碳層包覆所述金屬鐵顆粒的表面以形成核殼結構；所述氮摻雜的石墨化碳層的厚度為5nm～10nm。進一步地，所述容器為剛玉舟。進一步地，燒結是在管式爐內進行的，所述管式爐的升溫速率為3℃/min。進一步地，所述金屬鐵顆粒與所述硒粉的質量比為3～10。進一步地，燒結溫度為550℃～750℃，燒結時間為10小時～20小時。進一步地，所述燒結溫度為650℃，所述燒結時間為10小時。按照本專利技術的另一方面，提供了一種采用如上所述的納米鐵硒化合物的制備方法制備的鐵硒化合物作為負極材料的鈉離子電池。總體而言，通過本專利技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，本專利技術提供的納米鐵硒化合物的制備方法及鈉離子電池主要具有以下有益效果：1.本專利技術采用商業化的普魯士藍材料作為鐵源前驅體，在一定溫度下反應獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米鐵顆粒，隨后將所述納米鐵顆粒與硒密封于剛玉舟中，通過固相反應以得到被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米鐵硒化合物，產品質量較高，原料易得，制作簡單，價格低廉，設備要求較低；2.本專利技術通過簡單的制備方法即可獲得顆粒粒徑在50nm～100nm范圍內的納米顆粒，同時在顆粒的表面均勻的包覆有氮摻雜的石墨化碳層，形成了完整的核殼結構，其中石墨化碳層的厚度在5nm～10nm，核殼結構不僅能防止納米顆粒團聚，還可以保護核殼內的鐵硒化合物；3.采用本專利技術的制備方法制備的鐵硒化合物納米顆粒可以應用于鈉離子電池中作為負極，表現出了穩定的儲鈉性能，優秀的循環穩定性及良好的倍率性能。附圖說明圖1是本專利技術較佳實施方式提供的納米鐵硒化合物的制備方法的流程示意圖。圖2是采用圖1中的納米鐵硒化合物的制備方法制備的鐵硒化合物的XRD曲線圖。圖3是圖2中的鐵硒化合物的掃描電鏡圖。圖4是圖2中的鐵硒化合物的透視電鏡圖。圖5是采用圖2中的鐵硒化合物作為負極的鈉離子電池的循環伏安曲線。圖6是圖5中的鈉離子電池的充放電曲線。圖7是圖5中的鈉離子電池的循環性能圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。請參閱圖1，本專利技術較佳實施方式提供的納米鐵硒化合物的制備方法主要包括以下步驟：步驟一，將純度大于99％的商業普魯士藍密封在充滿惰性氣氛的容器內，并將所述容器進行燒結，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的金屬鐵顆粒。具體地，所述普魯士藍是自市場購買的，其質量為1g；所述容器為剛玉舟，且所述容器是在管式爐內進行燒結的，燒結溫度為650℃，燒結時間為10小時，燒結后經冷卻至室溫即可獲得粒徑為50nm～100nm的所述金屬鐵顆粒。步驟二，將所述金屬鐵顆粒與純度大于99％的硒粉在惰性保護氣氛下研磨混合均勻后密封在充滿惰性氣氛的容器內，并進行燒結、冷卻以得到產物。具體地，將0.1克的步驟一制得的所述金屬鐵顆粒與0.8克純度大于99％的硒粉在惰性保護氣氛下研磨混合均勻，并密封在充滿惰性氣體的容器(剛玉舟)內，所述容器在管式爐內進行燒結，燒結溫度為650℃，燒結時間為10小時，經冷卻至室溫后即可獲得所述產物。本實施方式中，所述硒粉也是購買獲得的；所述管式爐的升溫速率為3℃/min；所述鐵元素與所述硒元素兩者物質的量之比為7:8。步驟三，將得到的所述產物在惰性保護氣氛下升溫至650℃，并保持4小時，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的鐵硒化合物。具體地，所述鐵硒化合物的粒徑為50nm～100nm。可以理解，所述金屬鐵顆粒與所述硒粉的質量比、燒結時間及燒結溫度并不限于本實施方式，如所述金屬鐵顆粒與硒粉的質量比可以為3～10，燒結溫度為550℃～750℃，燒結時間為10小時～20小時的情況下，均可以制備出納米尺寸的鐵硒化合物。圖2是采用本專利技術提供的納米鐵硒化合物的制備方法制備的鐵硒化合物的XRD曲線圖，通過與XRD標準PDF卡片(圖2下部所示)進行比對分析可知，采用本專利技術提供的納米鐵硒化合物的制備方法制備的鐵硒化合物的相是純相。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種納米鐵硒化合物的制備方法，其包括以下步驟：(1)將純度大于99％的商業普魯士藍密封在充滿惰性氣氛的容器內，并將所述容器進行燒結，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的金屬鐵顆粒；(2)將所述金屬鐵顆粒與純度大于99％的硒粉在惰性保護氣氛下研磨混合均勻后密封在充滿惰性氣氛的容器內，并進行燒結、冷卻以得到產物；(3)將得到的所述產物在惰性保護氣氛下升溫至650℃，并保持4小時，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的鐵硒化合物。

【技術特征摘要】
1.一種納米鐵硒化合物的制備方法，其包括以下步驟：(1)將純度大于99％的商業普魯士藍密封在充滿惰性氣氛的容器內，并將所述容器進行燒結，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的金屬鐵顆粒；(2)將所述金屬鐵顆粒與純度大于99％的硒粉在惰性保護氣氛下研磨混合均勻后密封在充滿惰性氣氛的容器內，并進行燒結、冷卻以得到產物；(3)將得到的所述產物在惰性保護氣氛下升溫至650℃，并保持4小時，以獲得被氮摻雜的石墨化碳層包覆的納米尺寸的鐵硒化合物。2.如權利要求1所述的納米鐵硒化合物的制備方法，其特征在于：所述金屬鐵顆粒的粒徑為50nm～100nm；所述氮摻雜的石墨化碳層包覆所述金屬鐵顆粒的表面以形成核殼結構；所述氮摻雜的石墨化碳層的厚度為5nm...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張五星，萬忞，黃云輝，薛麗紅，
申請(專利權)人：華中科技大學，深圳華中科技大學研究院，
類型：發明
國別省市：湖北,42