一种利用废弃柚子皮实现蜂窝状多孔碳与磷酸铁前驱体原位镶嵌构筑的方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池的领域，具体涉及一种利用废弃柚子皮实现蜂窝状多孔碳与磷酸铁前驱体原位镶嵌构筑的方法。


背景技术：

2.传统的锂离子电池已被广泛应用于各种便携式电子设备，包括手机、便携式计算机、数码相机、电动汽车等。其中，磷酸铁锂电池因其成本低，理论容量高、寿命长等优点在电动汽车方面上占据相当大的市场。尽管该材料特点突出、优势明显，但其低的电子电导率严重影响了其高倍率性能。作为磷酸铁锂的重要前驱体，磷酸铁的微观尺寸和结构特性对磷酸铁锂的形貌结构和电化学性能影响较大。因此，制备出球形形貌、均匀尺寸、高导电性的磷酸铁将拓宽磷酸铁锂电池在动力电池中的市场占有率，提高其市场竞争力。
3.柚子，在中国南方的多个省份都有种植，也是人们喜食的水果之一。柚子皮占据了柚子重量的25％～40％，可以预见，每年都会有大量的柚子皮被直接废弃，这不可避免的造成了一定的环境污染及资源浪费。因此，为了变废为宝，提高柚子皮的附加值，同时拓宽磷酸铁锂动力电池的商业化应用，促进新能源事业的发展，于是本发明提出了一种利用废弃柚子皮原位合成高品质磷酸铁前驱体的方法。本发明不仅工艺简单、成本低廉，而且非常环保。


技术实现要素：

4.本发明的目的是利用废弃柚子皮所具备丰富的海绵状油泡结构，制备出蜂窝状多孔碳，吸附铁离子，通过微波水热反应提供一种利用废弃柚子皮实现蜂窝状多孔碳与磷酸铁前驱体原位镶嵌构筑的方法。
5.首先以氢氧化钾为活化剂，经高温碳化制备出蜂窝状多孔碳，再通过微波水热合成仪合成蜂窝状多孔碳镶嵌结构的磷酸铁，这种具备高比表面积的和丰富孔道的碳结构可以有效地使磷酸铁镶嵌在其中，提高磷酸铁的导电性。
6.具体步骤为：
7.(1)将废弃柚子皮放置于鼓风干燥箱，50～100℃条件下干燥，直到重量恒定，研磨至粉末状态，待用。
8.(2)将1～3克步骤(1)所得产物放入到50～300毫升浓度为0.5～2摩尔/升的氢氧化钾溶液中搅拌1～12小时，过滤，洗涤至中性，放入鼓风干燥箱12～48小时。
9.(3)在氩气保护下，将步骤(2)所得产物放入管式炉，以2～5℃/分钟的升温速率在700～900℃下煅烧1～5小时，冷却至室温，将样品研磨至粉末状态，即得到蜂窝状多孔碳。
10.(4)取1～3克硝酸铁和0.5～2克磷酸二氢铵分别溶于100毫升蒸馏水中，分别置于数字式恒温磁力加热搅拌器中搅拌，得到铁源溶液和磷源溶液。
11.(5)在搅拌条件下，向步骤(4)所得的铁源溶液中加入0.1～1克络合剂和0.1～1克
步骤(3)所得的蜂窝状多孔碳，搅拌0.5～3小时，再将步骤(4)所得的磷源溶液缓慢地滴加到上述溶液中，用浓度为0.1～1摩尔/升的氨水将溶液调至ph等于2～3，继续搅拌0.5～3小时。
12.(6)将步骤(5)所得的溶液置于微波水热合成仪，在140～180℃下微波反应0.2～2小时，过滤，用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3～5次，转移至鼓风干燥箱中，50～100℃条件下干燥6～24小时。
13.(7)在氩气氛围保护中，将步骤(6)所得产物放入管式炉，在550～650℃条件下煅烧5～12小时，得蜂窝状多孔碳镶嵌结构的高导电性磷酸铁。
14.所述络合剂为草酸、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇中的一种或多种。
15.本发明制备出的磷酸铁颗粒可以有效负载到利用废弃柚子皮制备的蜂窝状多孔碳上，制备的磷酸铁相比于共沉淀发制备出的磷酸铁，其导电性提高了1～2个数量级，具体数据为：共沉淀发制备出的磷酸铁的电导率为2.54
×
10
‑5西门子/米。本实验制备出实施例1，实施例2，实施例3的磷酸铁对应的电导率为3.60
×
10
‑4、6.21
×
10
‑4、1.32
×
10
‑3西门子/米。
附图说明
16.图1是本发明实施例1制得的蜂窝状多孔碳镶嵌结构的高导电性磷酸铁(fepo4)的sem图。
17.图2是本发明实施例2制得的蜂窝状多孔碳镶嵌结构的高导电性磷酸铁(fepo4)的sem图。
18.图3是本发明实施例3制得的蜂窝状多孔碳镶嵌结构的高导电性磷酸铁(fepo4)的sem图。
具体实施方式
19.实施例1：
20.(1)将废弃柚子皮放置于鼓风干燥箱，80℃条件下干燥，直到重量恒定，研磨至粉末状态，待用。
21.(2)称取1克步骤(1)所得产物放入到200毫升浓度为1摩尔/升的氢氧化钾溶液中搅拌8小时，过滤，洗涤至中性，放入鼓风干燥箱24小时。
22.(3)在氩气保护下，将步骤(2)所得产物放入管式炉，以2℃份钟的升温速率在800℃下煅烧2小时，冷却至室温，将样品研磨至粉末状态，即得到蜂窝状多孔碳。
23.(4)取2.0199克硝酸铁和0.8627克磷酸二氢铵分别溶于100毫升蒸馏水中，分别置于数字式恒温磁力加热搅拌器中搅拌，得到铁源溶液和磷源溶液。
24.(5)在搅拌条件下，向步骤(4)所得的铁源溶液中加入0.2883克草酸和0.2883克步骤(3)所得的蜂窝状多孔碳，搅拌1小时，再将步骤(4)所得的磷源溶液缓慢地滴加进上述溶液中，用浓度为0.5摩尔/升的氨水将溶液调至ph等于2.05，继续搅拌1小时。
25.(6)将步骤(5)所得的溶液置于微波水热合成仪，在150℃下微波反应0.5小时，过滤，用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，转移至鼓风干燥箱中，80℃条件下干燥12小时。
26.(7)在氩气氛围保护中，将步骤(6)所得的样品放入管式炉，在650℃条件下煅烧5
小时，得蜂窝状多孔碳镶嵌结构的高导电性磷酸铁。
27.实施例2：
28.(1)将废弃柚子皮放置于鼓风干燥箱，80℃条件下干燥，直到重量恒定，研磨至粉末状态，待用。
29.(2)取1.5克步骤(1)所得产物放入到200毫升浓度为1摩尔/升的氢氧化钾溶液中搅拌8小时，过滤，洗涤至中性，放入鼓风干燥箱24小时。
30.(3)在氩气保护下，将步骤(2)所得产物放入管式炉，以2℃份钟的升温速率在800℃下煅烧2小时，冷却至室温，将样品研磨至粉末状态，即得到蜂窝状多孔碳。
31.(4)取1.2119克硝酸铁和0.5176克磷酸二氢铵分别溶于60毫升蒸馏水中，分别置于数字式恒温磁力加热搅拌器中搅拌，得到铁源溶液和磷源溶液。
32.(5)在搅拌条件下，向步骤(4)所得的铁源溶液中加入0.1730克草酸和0.2594克步骤(3)所得的蜂窝状多孔碳，搅拌1小时，再将步骤(4)所得的磷源溶液缓慢地滴加进上述溶液中，用浓度为0.5摩尔/升的氨水将溶液调至ph等于2.05，继续搅拌1小时。
33.(6)将步骤(5)所得的溶液置于微波水热合成仪，在150℃下微波反应1.5小时，过滤，用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，转移至鼓风干燥箱中，80℃条件下干燥12小时。
34.(7)在氩气氛围保护中，将步骤(6)所得的样品放入管式炉，在600℃条件下煅烧10小时，得蜂窝状多孔碳镶嵌结构的高导电性磷酸铁。
35.实施例3：
36.(1)将废弃柚子皮放置于鼓风干燥箱，80℃条件下干燥，直到重量恒定，研磨至粉末状态，待用。
37.(2)取2克步骤(1)所得产物放入到200毫升浓度为1摩尔/升的氢氧化钾溶液中搅拌8小时，过滤，洗涤至中性，放入鼓风干燥箱24小时。
38.(3)在氩气保护下，将步骤(2)所得产物放入管式炉，以2℃份钟的升温速率在800℃下煅烧2小时，冷却至室温，将样品研磨至粉末状态，即得到蜂窝状多孔碳。
39.(4)取1.8179克硝酸铁和0.7764克磷酸二氢铵分别溶于90毫升蒸馏水中，分别置于数字式恒温磁力加热搅拌器中搅拌，得到铁源溶液和磷源溶液。
40.(5)在搅拌条件下，向步骤(4)所得的铁源溶液中加入0.2594克草酸和0.5189克步骤(3)所得的蜂窝状多孔碳，搅拌1小时，再将步骤(4)所得的磷源溶液缓慢地滴加进上述溶液中，用浓度为0.5摩尔/升的氨水将溶液调至ph等于2.05，继续搅拌1小时。
41.(6)将步骤(5)所得的溶液置于微波水热合成仪，在150℃下微波反应1小时，过滤，用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，转移至鼓风干燥箱中，80℃条件下干燥12小时。
42.(7)在氩气氛围保护中，将步骤(6)所得的样品放入管式炉，在600℃条件下煅烧6小时，得蜂窝状多孔碳镶嵌结构的高导电性磷酸铁。