本發(fā)明屬于納米材料合成和電化學(xué)領(lǐng)域，具體地說，涉及二硒化鐵納米材料及其合成方法，其合成的二硒化鐵(fese2)具有良好的導(dǎo)電性，可作為鈉離子電池的陽極材料。

背景技術(shù)：

能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)普遍關(guān)注的十分嚴(yán)峻的問題，由于化石燃料燃燒導(dǎo)致的溫室效應(yīng)最為突出，這嚴(yán)重影響了人們的生活與健康，所以尋找高效儲(chǔ)能且環(huán)境友好裝置成為全球熱點(diǎn)。由于高能量密度和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池、鈉離子電池等成為儲(chǔ)能裝置中很有前途的候選人，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。與鋰離子電池比較，鈉資源豐富、消費(fèi)低，進(jìn)而鈉離子電池引起了人們更多的興趣。由于鈉離子比鋰離子半徑和摩爾質(zhì)量高，在充放電過程中鈉離子電池容量低、壽命短、體積變化大，所以合適的電極材料尤其是陽極材料對(duì)鈉離子電池的性能起到了關(guān)鍵作用。因此對(duì)鈉離子電池陽極材料的研究成為一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題。

過渡金屬有很好的導(dǎo)電性，過渡金屬氧化物和硫化物作為鈉離子電池的陽極材料已被報(bào)道，過渡金屬硒化物與過渡金屬氧化物、硫化物有著相似的化學(xué)性質(zhì)，但對(duì)此研究較少。二硒化鐵資源豐富、價(jià)格低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)境友好、無毒，是鈉離子電池合適的陽極材料。zhang課題組(doi:10.1021/acsami.5b12148)報(bào)道了一種二硒化鐵微球的合成方法，并研究了其作為鈉離子電池陽極材料的電化學(xué)性能，但是該微球直徑較大(2-5μm)，不利于電解液向材料內(nèi)部擴(kuò)散反應(yīng)。

因此，探索具有應(yīng)用價(jià)值的鈉離子電池陽極材料一直是研究者們的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種二硒化鐵納米材料及其合成方法和應(yīng)用，通過水熱法合成二硒化鐵納米片，該合成方法工藝簡單、容易操作，制得的二硒化鐵材料作為鈉離子電池的陽極材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種二硒化鐵納米材料，該納米材料為納米片狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供一種水熱合成二硒化鐵(fese2)納米片的合成方法，具體包括以下步驟：

1)量取一定量的去離子水加入燒杯中，通入氮?dú)獬ニ械难鯕猓?/p>

2)將硼氫化鈉和硒粉加入到步驟1)的燒杯中，磁力攪拌使之反應(yīng)；

3)將一定質(zhì)量的六水氯化鐵(fecl3·6h2o)加入到步驟1)的燒杯中，繼續(xù)攪拌；

4)反應(yīng)一定時(shí)間，停止攪拌，將步驟1)燒杯中液體轉(zhuǎn)入高壓釜，放入烘箱中于一定溫度下反應(yīng)。

5)反應(yīng)完成后，取出反應(yīng)釜冷卻，將產(chǎn)物洗滌、干燥。

步驟1)中通入氮?dú)獬ルx子水中的氧氣，所需時(shí)間為20～50分鐘。

步驟2)硼氫化鈉作為還原劑，其加入量與硒粉的加入量摩爾比范圍在1～2:1之間。

步驟3)六水氯化鐵的加入量與硒粉的加入量摩爾比范圍在0.5～1:1之間。

步驟4)中液體轉(zhuǎn)入高壓釜后可以再通氮?dú)獬?，反?yīng)溫度為150～220℃，反應(yīng)時(shí)間為12～30h。

所述二硒化鐵納米材料在鈉離子電池陽極材料方面的應(yīng)用。

本發(fā)明利用硼氫化鈉作為還原劑，通過簡單的水熱合成技術(shù)，在高壓下快速合成片狀二硒化鐵納米粒子。由于充放電過程的電化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在材料表面，二維的片層結(jié)構(gòu)暴露比表面積更大，與電解液接觸面積更大，活性位點(diǎn)多，反應(yīng)更容易發(fā)生，容量也會(huì)有所提高。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有制備過程簡單快速、成本低、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

二硒化鐵制備鈉離子電池：

將制得的二硒化鐵材料與乙炔黑、羧甲基纖維素鈉按8:1:1的比例研磨，研磨到感受不到有顆粒存在時(shí)，逐滴滴加去離子水并繼續(xù)研磨，研磨到一定程度，將其均勻地涂到銅箔上，先將其室溫下晾干，再真空干燥6h。干燥完的銅箔用壓片機(jī)切成每個(gè)為直徑為12mm片，然后在手套箱中組裝鈉離子電池，電池型號(hào)為cr2032(3v)。組裝完的電池放置12h以上，可用藍(lán)電測試儀對(duì)其進(jìn)行恒電流充放電測試，電壓范圍為0.5v～2.9v，用電化學(xué)工作站測試循環(huán)伏安曲線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本發(fā)明制備納米材料過程簡單、低消費(fèi)、易操作，所制得的電池恒電流充放電性能良好。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的掃描電子顯微鏡圖片；

圖2為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片；

圖3為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的高分辨透射電子顯微鏡圖片；

圖4為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的xrd圖片；

圖5為實(shí)施例1制備的鈉離子電池在電流密度為100ma/g下的循環(huán)性能圖片；

圖6為實(shí)施例1制備的鈉離子電池在不同電流密度下的倍率性能圖片；

圖7為實(shí)施例1制備的鈉離子電池在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線圖片；

圖8為實(shí)施例1制備的鈉離子電池在電流密度100ma/g下充放電前三次的圖片；

圖9為實(shí)施例2制備的二硒化鐵納米片的掃描電子顯微鏡圖片；

圖10為實(shí)施例2制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片；

圖11為實(shí)施例3制備的二硒化鐵納米片的掃描電子顯微鏡圖片；

圖12為實(shí)施例3制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片；

圖13為實(shí)施例4制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但是此說明不會(huì)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。

實(shí)施例1

水熱合成二硒化鐵納米材料的制備

量取40ml去離子水加入到燒杯中，通入氮?dú)獬ニ械难鯕狻?0min后加入2mmol的硼氫化鈉與1mmol的硒粉，進(jìn)行磁攪拌至溶液變澄清。然后加入0.5mmol的六水氯化鐵，繼續(xù)攪拌10min，該過程一直通氮?dú)?。攪拌完畢把溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，繼續(xù)通一會(huì)兒氮?dú)猓缓髷Q緊蓋子，放入烘箱中，在180℃下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)。反應(yīng)完畢后取出反應(yīng)釜，晾涼，反應(yīng)釜中沉淀的產(chǎn)物用水和乙醇分別離心洗滌幾次，最后在60℃下真空干燥12小時(shí)。

將以上得到的二硒化鐵材料與乙炔黑、羧甲基纖維素鈉按8:1:1的比例研磨，研磨到感受不到有顆粒存在時(shí)，逐滴滴加去離子水并繼續(xù)研磨，研磨到一定程度，將其均勻地涂到銅箔上，先將其室溫下晾干，再真空干燥6h。干燥完的銅箔用壓片機(jī)切成每個(gè)為直徑為12mm片，然后在手套箱中組裝鈉離子電池，電池型號(hào)為cr2032(3v)。組裝完的電池放置12h以上，可用藍(lán)電測試儀對(duì)其進(jìn)行恒電流充放電測試，電壓范圍為0.5v～2.9v，用電化學(xué)工作站測試循環(huán)伏安曲線。

圖1為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的掃描電子顯微鏡圖片，可以看出合成的二硒化鐵納米材料為片狀結(jié)構(gòu)。

圖2為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片，可以看出合成的二硒化鐵納米材料為片狀結(jié)構(gòu)與掃描電子顯微鏡圖片相符合。

圖3為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的高分辨透射電子顯微鏡圖片，可以看出合成的二硒化鐵納米材料(1,1,1)晶面層間距為0.257nm。

圖4為實(shí)施例1制備的二硒化鐵納米片的xrd圖片，可以看出合成的二硒化鐵納米材料衍射峰強(qiáng)度很強(qiáng)，所以合成的二硒化鐵納米材料結(jié)晶度很好。

圖5為實(shí)施例1制備的鈉離子電池在電流密度為100ma/g下的循環(huán)性能圖片，可以看出在小電流密度下電池放電50圈比容量為438.7mahg^-1，循環(huán)性能十分穩(wěn)定，庫倫效率接近100％。

圖6為實(shí)施例1制備的鈉離子電池在不同電流密度下的倍率性能圖片，在不同電流密度下分別充放電5圈比容量相當(dāng)穩(wěn)定，且在電流密度為0.1ag^-1、0.2ag^-1、0.4ag^-1、0.8ag^-1、1.0ag^-1、2.0ag^-1下的放電比容量分別為496mahg^-1、449mahg^-1、415mahg^-1、375mahg^-1、360mahg^-1、307mahg^-1。

圖7為實(shí)施例1制備的鈉離子電池不同掃速下的循環(huán)伏安曲線圖片，掃速分別為0.2mv/s、0.4mv/s、0.6mv/s、0.8mv/s、1.0mv/s，可以看出有一個(gè)氧化峰和三個(gè)還原峰。

圖8為實(shí)施例1制備的鈉離子電池在電流密度100ma/g下充放電前三圈圖片。

實(shí)施例2

水熱合成二硒化鐵納米材料的制備

量取40ml去離子水加入到燒杯中,通入氮?dú)獬ニ械难鯕狻?0min后加入2mmol的硼氫化鈉與1mmol的硒粉，進(jìn)行磁攪拌至溶液變澄清。然后加入0.6mmol的六水氯化鐵，繼續(xù)攪拌10min，該過程一直通氮?dú)?。攪拌完畢把溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，繼續(xù)通一會(huì)兒氮?dú)?，然后擰緊蓋子，放入烘箱中，在180℃下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)。反應(yīng)完畢后取出反應(yīng)釜，晾涼，反應(yīng)釜中沉淀的產(chǎn)物用水和乙醇分別離心洗滌幾次，最后在60℃下真空干燥12小時(shí)。

組裝電池部分同實(shí)施例1。

圖9為實(shí)施例2制備的二硒化鐵納米片的掃描電子顯微鏡圖片。

圖10為實(shí)施例2制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片，可以看出合成的二硒化鐵納米片堆疊在一起。

實(shí)施例3

水熱合成二硒化鐵納米材料的制備

量取40ml去離子水加入到燒杯中,通入氮?dú)獬ニ械难鯕狻?0min后加入2mmol的硼氫化鈉與1mmol的硒粉，進(jìn)行磁攪拌至溶液變澄清。然后加入1.0mmol的六水氯化鐵，繼續(xù)攪拌10min，該過程一直通氮?dú)?。攪拌完畢把溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，繼續(xù)通一會(huì)兒氮?dú)猓缓髷Q緊蓋子，放入烘箱中，在180℃下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)。反應(yīng)完畢后取出反應(yīng)釜，晾涼，反應(yīng)釜中沉淀的產(chǎn)物用水和乙醇分別離心洗滌幾次，最后在60℃下真空干燥12小時(shí)。

組裝電池部分同實(shí)施例1。

圖11為實(shí)施例3制備的二硒化鐵納米片的掃描電子顯微鏡圖片。

圖12為實(shí)施例3制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片，可以看出合成的二硒化鐵納米片成聚集狀態(tài)。

實(shí)施例4

水熱合成二硒化鐵納米材料的制備

量取40ml去離子水加入到燒杯中,通入氮?dú)獬ニ械难鯕狻?0min后加入2mmol的硼氫化鈉與1mmol的硒粉，進(jìn)行磁攪拌至溶液變澄清。然后加入0.5mmol的九水硝酸鐵，繼續(xù)攪拌10min，該過程一直通氮?dú)狻嚢柰戤叞讶芤恨D(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，繼續(xù)通一會(huì)兒氮?dú)猓缓髷Q緊蓋子，放入烘箱中，在180℃下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)。反應(yīng)完畢后取出反應(yīng)釜，晾涼，反應(yīng)釜中沉淀的產(chǎn)物用水和乙醇分別離心洗滌幾次，最后在60℃下真空干燥12小時(shí)。

組裝電池部分同實(shí)施例1。

圖13為實(shí)施例4制備的二硒化鐵納米片的透射電子顯微鏡圖片。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。