一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法与流程

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体为一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法。

背景技术：

当今社会，伴随着经济的高速发展，能源危机和环境问题日益加剧。锂离子电池因其具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽、安全可靠以及环境友好等优点而被广泛应用在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域。其中硅作为负极材料因其较高的理论比容量、低的脱锂电位以及环境友好、储量丰富而引起大家的广泛关注。但是硅基负极材料在使用中仍存在关致命缺点：硅材料在充放电过程中反复膨胀收缩，导致循环性能极差。为了解决这个问题，目前研究者主要从制备纳米级的硅材料及其进行碳包覆或者氧化钛包覆。

对于制备碳包覆的纳米硅复合材料方面，由于作为新型碳纳米材料的石墨烯具有优异的电学、力学性能，高的理论比表面积，所以研究者多是将石墨烯与纳米硅直接复合或者采用气相裂解技术对纳米硅进行碳包覆，其中气相裂解法采用甲烷或者乙炔作为碳源，成本较高，且容易发生爆炸，不安全。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，方法温和，工艺简单，安全环保，有效降低了碳改性纳米硅复合材料的制备成本。

本发明提供的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，包括以下步骤：

S1、按照4～12：1：1～8的物质的量之比称量镁粉、纳米氧化硅以及无机盐并混合均匀，将混合物下采用干压成型工艺压制成片状；

S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，按照3～5℃/min的速率升温至650～720℃并保温120～360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；

S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行30～60min的一次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，然后进行15～30min的二次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，最后将离心产物于60～90℃下进行真空干燥，干燥时间为6～24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。

优选的，S1中镁粉的粒径为10～70μm，纳米氧化硅的粒径为40～80nm。

优选的，S1无机盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙以及氯化镁中的一种或者多种。

优选的，S1中干压成型工艺的压力为15～25MPa。

优选的，S2煅烧过程中二氧化碳气体的流量为10～30mL/min。

优选的，S3中一次酸洗采用体积分数为20％～30％的盐酸溶液，二次酸洗采用体积分数为5％～10％的氢氟酸溶液。

优选的，离心清洗时设定的转速为8000～10000r/min。

有现有技术相比，本发明的制备方法具有以下有益效果：本发明通过原位制备的方法得到碳纳米片包覆纳米硅的复合材料，采用纳米氧化硅为硅源，二氧化碳为碳源，镁为还原剂，无机盐作为硬模板，通过高温原位还原，纳米氧化硅被还原为硅，多余的镁还原二氧化碳为碳，且在无机盐硬模板表面沉积为碳纳米片。该方法成本低廉，条件温和，安全环保，有效解决了现有的气相裂解法存在的易爆炸不安全以及环境污染等问题。

附图说明

图1为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；

图2为实施例2的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；

图3为实施例3的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；

图4为实施例4的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；

图5为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；

图6为实施例2的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；

图7为实施例3的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；

图8为实施例4的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；

图9为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的透射电镜图和扫描能谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

S1、按照8：1：2的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠1.92g、0.6g以及1.168g，其中镁粉的粒径为70μm，纳米氧化硅的粒径为40nm，然后将粉末混合均匀并于20MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；

S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为10mL/min，按照5℃/min的速率升温至670℃并保温240min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；

S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为20％的盐酸溶液中浸泡30min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行15min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于60℃进行真空干燥，干燥时间为24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。

实施例2

S1、按照4：1：1的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠0.96g、0.6g以及0.584g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为80nm，然后将粉末混合均匀并于15MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；

S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为20mL/min，按照3℃/min的速率升温至650℃并保温360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；

S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为25％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于8000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为10％的氢氟酸溶液中进行30min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于90℃进行真空干燥，干燥时间为6h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。

实施例3

S1、按照12：1：8的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠2.88g、0.6g以及4.672g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为80nm，然后将粉末混合均匀并于25MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；

S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为30mL/min，按照5℃/min的速率升温至720℃并保温120min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；

S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为30％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行15min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。

实施例4

S1、按照10：1：5的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠2.4g、0.6g以及2.92g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为40nm，然后将粉末混合均匀并于20MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；

S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为10mL/min，按照5℃/min的速率升温至700℃并保温150min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；

S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为20％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行20min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于60℃进行真空干燥，干燥时间为24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。

首先我们对实施例1-实施例4的样品进行了拉曼光谱测试，图1-图4分别为实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4的样品的拉曼光谱图，从图1可以看出，拉曼光谱图中出现了明显的硅的特征激光拉曼峰以及碳对应的D峰、G峰和2D峰，从图2-图4可以看出，拉曼光谱图中出现了明显的硅的特征激光拉曼峰以及碳对应的D峰和G峰，说明实施例1-实施例4的样品均为碳硅复合材料，实施例1-实施例4提供的方法能够原位制备出硅碳复合材料。

然后我们对实施例1-实施例4的样品进行了扫描电子显微镜测试，图5-图8分别为实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4的样品的SEM图，从SEM图中可以看出，实施例1-实施例4中的样品形貌为纳米片状。

最后我们对实施例1的样品进行了扫描透射电子显微镜测试，图9(a)和(b)(c)分别为实施例1的样品的透射电镜图以及扫描能谱图，从图9(a)中可以看出，实施例1的样品呈现纳米片包覆纳米颗粒状物体的状态；从图9(b)和(c)可以看出，纳米片为碳纳米片，被包覆的颗粒为纳米硅；结合图9(a)(b)(c)可知，实施例1的样品为碳纳米片包覆纳米硅颗粒的复合材料。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。