一种碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法.pdf

本发明公开了一种碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，属于无机材料合成领域。本发明采用铬源、碳源和胺类有机物为原料，一步反应得到碳/氧化铬纳米复合材料，不需要任何后续处理。本方法生产成本低，生产工艺简单，易于产业化大规模生产，整个工艺不生产含铬废弃物，是一种对环境清洁友好的制备纳米氧化铬和碳复合材料的方法。本发明不需要模板、不需要表面活性剂、不需要沉淀剂，制备的纳米氧化铬纯度高，分散性好，比表面积大。可用于催化合成和功能材料等领域，特别是锂电材料领域具有广阔的应用前景。

权利要求书1.  一种碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，其特征在于： (1)采用铬源、碳源和胺类有机物为原料； (2)将各种原料按照一定比例溶解到水中，得到均一溶液；铬源与碳源的摩尔 比为1:(0.25-1)，铬源与胺类有机物的摩尔比为1:(1～8)； (3)将上述溶液加热，溶液蒸发、浓缩形成胶状物质后发生分解反应，得到碳 /氧化铬纳米复合材料。 2.  根据权利要求1所述的一种碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，其特征在于 (1)步骤中所述的铬源为硝酸铬。 3.  根据权利要求1所述的碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，其特征在于(1) 步骤中所述的碳源为葡萄糖、柠檬酸、麦芽糖、蔗糖、可溶性淀粉中的一种。 4.  根据权利要求1所述的碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，其特征在于(1) 步骤中所述的胺类有机物为尿素、甘氨酸、丙氨酸、赖氨酸中的一种。 5.  根据权利要求1所述的碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，其特征在于：得 到的产物为具有介孔结构的碳与氧化铬的纳米复合材料。 6.  根据权利要求1所述的碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所 制备的碳/氧化铬纳米复合材料作为锂电电极材料具有良好的电池性能，首次放电容 量可达到1038mAh/g。

说明书一种碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及无机材料合成领域，具体涉及一种碳/氧化铬纳米复合材料的制 备方法。所制备的碳/氧化铬纳米复合材料可作为锂电的电极材料。
背景技术
纳米氧化铬是一种正在开发并具有广阔应用前景的无机功能材料，广泛应用 于催化、功能材料、光电材料及有机合成等领域，尤其在锂电领域的应用潜力非 常巨大。高性能锂离子电池的研究已成为全球关注的焦点。目前商业化锂离子电 池中采用的电极为石墨，经过大量的研究、改进工作，目前石墨的实际储锂容量 也越来越趋近起理论容量(372mAh/g)，因而进一步提高比容量的潜力已非常 有限。为满足高性能锂离子电池对高容量电极材料的需求，必须研究开发新型高 比容量放电锂离子电极材料。Cr2O3具有高的锂存储容量(1058mAh g-1)，在金 属氧化物中的嵌锂电位相对较低(1.08eV)，且成本低，是一种理想的锂电电极 材料。
然而，锂离子嵌入/提取过程中大的体积变化、粉化、电接触损失、不稳定 SEI膜的形成等，使Cr2O3作为锂电电极材料时面临着衰减较快的问题。制备碳 与Cr2O3的复合材料是解决问题的有效途径之一。碳材料不仅可以缓冲电极体积 变化产生的压力和保持电极在循环过程中的结构完整性，而且还能防止Cr2O3颗 粒的团聚。例如李家星等在公开号为CN103151501A的专利中公开了一种氧化 铬-石墨烯纳米材料的制备方法，该方法以石墨烯为模板，铬酸盐为铬源，在水 热条件下铬酸盐在石墨烯原位通过氧化碳原子得到水合氧化铬-石墨烯纳米片， 然后进行焙烧处理得到晶化的氧化铬-石墨烯纳米片，该复合材料在锂电领域具 有广阔的应用前景。Bingkun Guo等(Journal ofPower Sources 2012,205,495– 499)以酚醛树脂、含铬前驱体和普朗尼克嵌短共聚物在酸性条件下制备得到聚 合物复合材料，然后在750℃氩气气氛中碳化6h后得到碳与氧化铬的复合材料； 该复合材料与纯的氧化铬相比，大大提高了锂电性能。Ling-Yan Jiang等(J.Mater. Chem.,2010,20,7565–7569)以草酸、聚乙二醇和水合硝酸铬为原料，在高压釜 内180℃反应5h后洗涤干燥得到前驱体，然后在750℃氩气、氢气的混合气氛中 碳化6h后得到碳与氧化铬的复合材料；该复合材料与纯的氧化铬相比，大大提 高了锂电性能。以上方法需加入表面活性剂或模板，进行酸度调节等，得到的含 有碳源和铬源的前驱体需再经煅烧得到碳与纳米氧化铬的复合材料，工艺复杂， 需要控制的参数比较多，成本较高。
发明内容
本发明提供了一种工艺简单、高效、低成本制备具有介孔结构的纳米碳与氧 化铬复合材料的方法，所制备的碳与氧化铬纳米复合材料作为锂电正极材料具有 良好的电池性能。
一种碳/氧化铬纳米复合材料的制备方法，其特征在于：其具体步骤如下：
(1)采用铬源、碳源和胺类有机物为原料；
(2)将各种原料按照一定比例溶解到水中，得到均一溶液；铬源与碳源的 摩尔比为1:(0.25-1)，铬源与胺类有机物的摩尔比为1:(1～8)；
(3)将上述溶液加热，溶液蒸发、浓缩形成胶状物质后发生分解反应，得 到碳/氧化铬纳米复合材料。
其中，步骤(1)中所述的铬源为硝酸铬。
所述的碳源为葡萄糖、柠檬酸、麦芽糖、蔗糖、可溶性淀粉中的一种，
所述的胺类有机物为尿素、甘氨酸、丙氨酸、赖氨酸中的一种，
得到的产物为具有介孔结构的碳与氧化铬的纳米复合材料。
本发明具有如下优点：(1)利用液相中各原料之间的反应制备纳米复合材料， 与水热法等相比较，工艺简便、快捷，可在十几分钟内完成；(2)利用液相混合 各原料，可实现各原料在分子级别上的均匀混合，使得到的碳与氧化铬实现纳米 级复合；(3)热解反应过程中产生的气体使复合粉末产生介孔结构，产物比表面 积大。(4)所制备的碳与氧化铬纳米复合材料作为锂电电极极材料具有良好的电 池性能，首次放电容量可达到1038mAh/g。
附图说明
图1为本发明实施例1,2,4所制备纳米氧化铬颗粒的XRD表征图。
图2a和图2b分别为50nm和20nm下本发明实施例1所制备纳米氧化铬颗 粒的TEM图，图2b中插入的图为本发明实施例1所制备纳米氧化铬颗粒的 HRTEM图。
图3为本发明实施例1,2,4所制备纳米氧化铬颗粒的作为锂电电极的电化学 性能图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的阐述，应理解，这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之 后本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价同样落于本申请所 附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
将0.025mol的铬源、0.0375mol的碳源、0.1mol的甘氨酸溶于去离子水中， 配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解 等一系列反应后，得到碳/氧化铬纳米复合材料。XRD表明产物具有良好的氧化 铬结构，TEM图片表明氧化铬为多孔结构，氧化铬为约20nm的颗粒且颗粒分 布均匀。锂电性质测试表明容量在100mA/g下为1038mAh/g。
实施例2：
将0.025mol的铬源、0.025mol的碳源、0.0375mol的甘氨酸溶于去离子水中， 配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解 等一系列反应后，得到碳/氧化铬纳米复合材料。所得材料结构与实施例1相同， 产物由粒径为41nm左右的氧化铬颗粒组成且具有介孔结构。锂电性质测试表明 其容量在100mA/g下为914mAh/g。
实施例3：
将0.025mol的铬源、0.0375mol的碳源、0.15mol的甘氨酸溶于去离子水中， 配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解 等一系列反应后，得到碳/氧化铬纳米复合材料。所得材料结构与实施例1相同， 产物由粒径为30nm左右的氧化铬颗粒组成且具有介孔结构。锂电性质测试表明 其容量在100mA/g下为965mAh/g。
实施例4：
将0.025mol的铬源、0.0375mol的碳源、0.0375mol的甘氨酸溶于去离子水 中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、 分解等一系列反应后，得到碳/氧化铬纳米复合材料。所得材料结构与实施例1 相同，产物由粒径为26nm左右的氧化铬颗粒组成且具有介孔结构。锂电性质测 试表明其容量在100mA/g下为984mAh/g。
实施例5：
将0.025mol的铬源、0.0125mol的碳源、0.1mol的尿素溶于去离子水中，配 制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解等 一系列反应后，得到碳/氧化铬纳米复合材料。所得材料结构与实施例1相同， 产物由粒径为37nm左右的氧化铬颗粒组成且具有介孔结构。锂电性质测试表明 起容量在100mA/g下为939mAh/g。
实施例6：
将0.025mol的铬源、0.0375mol的碳源、0.15mol的尿素溶于去离子水中， 配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解 等一系列反应后，得到碳/氧化铬纳米复合材料。所得材料结构与实施例1相同， 产物由粒径为39nm左右的氧化铬颗粒组成且具有介孔结构。锂电性质测试表明 其容量在100mA/g下为923mAh/g。