磷化錫及其改性納微米材料的制備、表征與性能研究.pdf

1、磷化錫(Sn4P3)是一種具有層狀晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，這種特殊結(jié)構(gòu)使其能夠廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中，特別是作為鋰電池負(fù)極材料和催化劑。同時由于磷化錫還具有一些獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其近年來已經(jīng)成為眾多科研者研究的熱點。研究者們認(rèn)為磷化錫是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池負(fù)極材料。目前如何通過一種簡單且低溫的合成方法來制備特殊形貌的磷化錫，并且使它的性能得到進一步的提高，仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。因此，對磷化錫及其改性材料的研究具有非常重要的意義。

2、本文以磷化錫為主要研究對象，并在它的基礎(chǔ)上設(shè)計合成出了磷化錫改性材料，探討了其生長過程并對其性能進行了深入的研究。本課題具體研究過程如下幾個方面所示:
　　1.磷化錫(Sn4P3)空心微球的制備、表征及其性能的研究
　　通過簡單的溶劑熱法，以乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)為絡(luò)合劑，成功制備出了空心球狀磷化錫微晶。所制備得到產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌通過X-射線衍射(XRD)、X-射線光電子能譜(XPS)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SE

3、M)和透射電子顯微鏡(TEM)進行了表征。實驗結(jié)果表明，EDTA的用量及其反應(yīng)時間對于產(chǎn)物的尺寸和形貌均有一定的影響。通過條件實驗的研究提出了空心球狀磷化錫的反應(yīng)過程及其反應(yīng)機理。此外，吸附性能的研究結(jié)果表明磷化錫催化劑能夠吸附一些典型的有機染料，例如亞甲基藍(lán)、藏紅T以及甲基橙，特別是對于亞甲基藍(lán)染料的吸附率甚至可以高達(dá)99％。同時作為鋰離子電池的負(fù)極材料，磷化錫空心微球在100mA/g電流密度下的初始放電容量可以達(dá)到1478mAh/g

4、，循環(huán)20圈以后，它的容量仍然可以保持在261mAh/g，即使電流密度增加到500mA/g時，第二圈的放電容量還可以維持在689mAh/g，表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)行為。
　　2.Sn4P3納米粒子的合成、表征及其電化學(xué)性能的研究
　　利用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和無水乙醇(Ethanol)作為反應(yīng)溶劑，以NaBH4作為反應(yīng)的還原劑，采用簡單的復(fù)合溶劑熱法成功制備出了Sn4P3納米粒子，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌通過XRD、FE-S

5、EM和TEM等多種手段進行了表征。研究結(jié)果表明，所制備得到的Sn4P3納米粒子具有純的六方相結(jié)構(gòu)，XRD衍射峰峰型尖銳，表明Sn4P3具有良好的結(jié)晶性;從TEM圖觀察得到產(chǎn)物的形貌為分散性良好的納米小顆粒，尺寸在15nm左右。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合溶劑比例對于產(chǎn)物的分散性以及尺寸大小都具有非常重要的影響，反應(yīng)的最佳條件是VDMF∶VEthanol=1∶3，反應(yīng)溫度180℃，反應(yīng)時間10h。接著對不同尺寸磷化錫納米粒子的電化學(xué)性能進行了研究

6、，研究結(jié)果表明樣品的尺寸越小，其電化學(xué)性能越好。鋰離子電化學(xué)性能的測試結(jié)果表明:合成的Sn4P3納米粒子在100mA/g的電流密度下，循環(huán)320圈后放電容量仍然保持在442mAh/g;即使在200mA/g和500mA/g相對較大的電流密度下，分別循環(huán)200圈和100圈以后，Sn4P3電極的放電容量仍然能夠各自維持在315mAh/g和270mAh/g。最后，對于最佳條件下制備得到的Sn4P3納米粒子的鈉電化學(xué)性能進行了研究，研究結(jié)果表明該

7、Sn4P3納米粒子在50mA/g的電流密度下，循環(huán)10圈后放電容量仍然保持在305mAh/g。以上結(jié)果表明Sn4P3納米粒子有作為鋰離子電池和鈉離子電池負(fù)極材料的潛力。
　　3.水熱法制備錳(Mn)摻雜Sn4P3納米材料及其電化學(xué)性能的研究
　　采用簡單易控的兩步水熱溶劑熱法成功合成出了具有不同Mn摻雜量的Sn4P3改性納米材料，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌通過XRD、FE-SEM和TEM等多種手段進行了表征。結(jié)果表明Mn成功摻雜在Sn

8、4P3納米粒子的表面。對Mn摻雜Sn4P3改性材料在不同電流密度下的長循環(huán)穩(wěn)定性能進行了研究，實驗結(jié)果表明:Mn的摻雜量對于磷化錫納米粒子的電化學(xué)性能起著非常重要的作用，具有0.10mol％Mn摻雜量的Sn4P3改性材料表現(xiàn)出了最為優(yōu)異的循環(huán)性能。Sn4P3改性材料在100mA/g的電流密度下，循環(huán)150圈以后，放電容量為488mAh/g;增大電流密度到200mA/g時，改性材料在循環(huán)150圈以后，放電容量仍然能夠保持在420mAh/g