磷化锡及其改性纳微米材料的制备、表征与性能研究

发布时间：2018-04-03 19:11

本文选题：水热/溶剂热　切入点：磷化锡　出处：《陕西科技大学》2016年硕士论文

【摘要】：磷化锡(Sn4P3)是一种具有层状晶体结构的半导体材料,这种特殊结构使其能够广泛的应用于工业中,特别是作为锂电池负极材料和催化剂。同时由于磷化锡还具有一些独特的物理和化学性质,使其近年来已经成为众多科研者研究的热点。研究者们认为磷化锡是一种具有发展潜力的锂离子电池负极材料。目前如何通过一种简单且低温的合成方法来制备特殊形貌的磷化锡,并且使它的性能得到进一步的提高,仍然是一个很大的挑战。因此,对磷化锡及其改性材料的研究具有非常重要的意义。本文以磷化锡为主要研究对象,并在它的基础上设计合成出了磷化锡改性材料,探讨了其生长过程并对其性能进行了深入的研究。本课题具体研究过程如下几个方面所示：1.磷化锡(Sn4P3)空心微球的制备、表征及其性能的研究通过简单的溶剂热法,以乙二胺四乙酸二钠(EDTA)为络合剂,成功制备出了空心球状磷化锡微晶。所制备得到产物的结构和形貌通过X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行了表征。实验结果表明,EDTA的用量及其反应时间对于产物的尺寸和形貌均有一定的影响。通过条件实验的研究提出了空心球状磷化锡的反应过程及其反应机理。此外,吸附性能的研究结果表明磷化锡催化剂能够吸附一些典型的有机染料,例如亚甲基蓝、藏红T以及甲基橙,特别是对于亚甲基蓝染料的吸附率甚至可以高达99%。同时作为锂离子电池的负极材料,磷化锡空心微球在100mA/g电流密度下的初始放电容量可以达到1478mAh/g,循环20圈以后,它的容量仍然可以保持在261mAh/g,即使电流密度增加到500mA/g时,第二圈的放电容量还可以维持在689m Ah/g,表现出了良好的电化学行为。2.Sn4P3纳米粒子的合成、表征及其电化学性能的研究利用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和无水乙醇(Ethanol)作为反应溶剂,以NaBH4作为反应的还原剂,采用简单的复合溶剂热法成功制备出了Sn4P3纳米粒子,产物的结构和形貌通过FE-SEM和TEM等多种手段进行了表征。研究结果表明,所制备得到的Sn4P3纳米粒子具有纯的六方相结构,XRD衍射峰峰型尖锐,表明Sn4P3具有良好的结晶性；从TEM图观察得到产物的形貌为分散性良好的纳米小颗粒,尺寸在15nm左右。通过对比实验发现复合溶剂比例对于产物的分散性以及尺寸大小都具有非常重要的影响,反应的最佳条件是VDMF:VEthanol＝1:3,反应温度180℃,反应时间10h。接着对不同尺寸磷化锡纳米粒子的电化学性能进行了研究,研究结果表明样品的尺寸越小,其电化学性能越好。锂离子电化学性能的测试结果表明：合成的Sn4P3纳米粒子在100mA/g的电流密度下,循环320圈后放电容量仍然保持在442mAh/g;即使在200mA/g和500mA/g相对较大的电流密度下,分别循环200圈和100圈以后,Sn4P3电极的放电容量仍然能够各自维持在315mAh/g和270mAh/g。最后,对于最佳条件下制备得到的Sn4P3纳米粒子的钠电化学性能进行了研究,研究结果表明该Sn4P3纳米粒子在50mA/g的电流密度下,循环10圈后放电容量仍然保持在305mAh/g。以上结果表明Sn4P3纳米粒子有作为锂离子电池和钠离子电池负极材料的潜力。3.水热法制备锰(Mn)掺杂Sn4P3纳米材料及其电化学性能的研究采用简单易控的两步水热溶剂热法成功合成出了具有不同Mn掺杂量的Sn4P3改性纳米材料,产物的结构和形貌通过XRD、FE-SEM和TEM等多种手段进行了表征。结果表明Mn成功掺杂在Sn4P3纳米粒子的表面。对Mn掺杂Sn4P3改性材料在不同电流密度下的长循环稳定性能进行了研究,实验结果表明：Mn的掺杂量对于磷化锡纳米粒子的电化学性能起着非常重要的作用,具有0.10mol%Mn掺杂量的Sn4P3改性材料表现出了最为优异的循环性能。Sn4P3改性材料在100mA/g的电流密度下,循环150圈以后,放电容量为488mAh/g;增大电流密度到200mA/g时,改性材料在循环150圈以后,放电容量仍然能够保持在420mAh/g;进一步增加电流密度到1000mA/g,循环200圈以后,容量依然可以维持在255mAh/g。以上这些结果表明在Sn-Mn-P结构中,Mn掺杂对于结构稳定性和电化学性能的提高有着重要的影响作用。而且改性材料相对于单一的Sn4P3纳米粒子具有更为优异的电化学性能。
[Abstract]:The preparation , characterization and properties of tin phosphide ( Sn4P3 ) hollow microspheres have been studied by X - ray diffraction ( XRD ) , X - ray photoelectron spectroscopy ( XPS ) , field emission scanning electron microscopy ( FE - SEM ) and transmission electron microscopy ( TEM ) .
The electrochemical properties of Sn4P3 nanoparticles were studied by XRD , FE - SEM and TEM .

【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.2;TB383.1

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