[发明专利]一种氮掺杂碳包覆碲化锌纳米线的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆碲化锌纳米线的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用，首先利用水热法合成碲纳米线，通过与硝酸银溶液室温搅拌转化成碲化银纳米线，再利用离子交换反应与硝酸锌溶液反应转化成碲化锌纳米线，最后用盐酸多巴胺包覆碲化锌纳米线，再经氩气或者氮气氛围下高温煅烧即获得氮掺杂碳包覆碲化锌纳米线。本发明复合材料制备方法简单，原料廉价易得，所得材料用做钠离子电池负极循环稳定性好、比容量高，可作为一种优异的钠离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳包覆碲化锌纳米线的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用，属于纳米材料合成领域。

背景技术

据美国地质局估计，全世界最终可采石油储量为3万亿桶。世界煤炭总可采储量大约为8475亿吨。按当前的消费水平，最多也只能维持200年左右的时间。世界天然气储量大约为177万亿立方米。如果年开采量维持在2.3万亿立方米，则天然气将在80年内枯竭。因此寻找可替代的再生能源十分迫切，电池作为一种可存储能量的工具对当今世界科技的发展做出巨大的贡献，但目前市场大多使用的锂离子电池尽管具有循环性好，无记忆效应等优点，但仍然无法适应人们对容量更高循环更持久的电池需求，况且锂资源在地壳中含量较少，相比较而言，钠在地壳中储量十分丰富，在所有元素中，钠的含量排第六。近年来有关于钠离子电池的研究与报道越来越多。因此，钠离子电池被认为是最有望取代锂离子电池的全新电池材料。

碲化锌是一种碲与锌的化合物，本是一种半导体材料。有大约2.26ev的禁带宽度，普遍被用在光电学中，比如广泛使用在半导体设备中，如LEDS，太阳能电池，雷射二极体，微波合成。此外，碲化锌的密度(6.34g·cm^-3)比同族的化合物ZnO(5.61g·cm^-3)，ZnS(4.09g·cm^-3)和ZnSe(5.27g·cm^-3)高。高密度使得其具有较大的体积容量。碲化锌的理论容量达到416mAh g^-1(2637mAh cm^-1)。尽管关于ZnTe已经有过其很多化学性质与应用方面的报道，但未证明其作为钠离子电池材料中的应用。纯碲化锌在直接做电池材料使用时，由于在充放电过程中钠离子的嵌入与脱出使得材料由于体积膨胀而形貌被破坏，使得电池并不能具有持久的循环性能。

发明内容

本发明旨在提供一种氮掺杂碳包覆碲化锌纳米线的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用，可有效提高材料的导电性与循环性能。

氮掺杂的碳具有比纯碳更高的导电性，因此采用碳包覆碲化锌纳米线表面，可增加材料导电性的同时再起到抑制碲化锌体积膨胀的问题。相对的说，一维纳米线具有良好的电子传导，因此本发明选择制备一维纳米线。本发明首先利用水热法合成碲纳米线，通过与硝酸银溶液室温搅拌转化成碲化银纳米线，再利用离子交换反应与硝酸锌溶液反应转化成碲化锌纳米线，最后用盐酸多巴胺包覆碲化锌纳米线，再经氩气或者氮气氛围下高温煅烧即获得氮掺杂碳包覆碲化锌纳米线。该材料在作为钠离子电池负极测试时，其比容量高，循环性能好。

本发明氮掺杂碳包覆碲化锌纳米线的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将Na₂TeO₃(亚碲酸钠)和PVP(聚乙烯吡咯烷酮)粉末加入乙二醇中搅拌至完全溶解，然后依次加入丙酮、氨水(25-27wt％)、水合肼(80wt％)，装入聚四氟乙烯内衬中，再放入不锈钢高温高压反应釜中，加热至180℃并保持4h；反应结束后冷却至室温，离心分离并用丙酮洗涤，得到纯净的Te(碲)纳米线；

步骤2：将步骤1制得的Te纳米线加入乙二醇中超声搅拌至分散均匀，然后加入硝酸银的乙二醇溶液，室温搅拌反应1小时，反应结束后离心分离并用去离子水洗涤，得到纯净的Ag₂Te(碲化银)纳米线；