一种偏硅酸锂/镍复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种偏硅酸锂/镍复合材料的制备方法 (Preparation method of lithium metasilicate/nickel composite material ) 是由 张辉 孙博 陈文革 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Li-(2)SiO-(3)/Ni复合材料的制备方法,将泡沫镍置于过量无水乙醇超声后洗涤,再置于盐酸中静置后洗涤,得处理后泡沫镍,将LiOH·H-(2)O完全溶解于蒸馏水(去离子水/纯水)后滴加正硅酸四乙酯(TEOS),充分搅拌均匀得到混合溶液,将处理后泡沫镍和混合溶液加入聚四氟乙烯内胆中反应得到样品负载的泡沫镍,对其进行抽滤、洗涤、干燥得到Li-(2)SiO-(3)/Ni复合材料。本发明制备的Li-(2)SiO-(3)微纳结构在泡沫镍上界面结合良好,形态均匀,相纯度高。(The invention discloses Li 2 SiO 3 The preparation method of the/Ni composite material comprises the steps of placing foamed nickel in excessive absolute ethyl alcohol for ultrasonic treatment, washing, placing in hydrochloric acid for standing, washing to obtain treated foamed nickel, and placing LiOH & H 2 Completely dissolving O in distilled water (deionized water/pure water), dropwise adding tetraethyl orthosilicate (TEOS), fully and uniformly stirring to obtain a mixed solution, adding the treated foam nickel and the mixed solution into a polytetrafluoroethylene liner to react to obtain sample-loaded foam nickel, and performing suction filtration, washing and drying on the sample-loaded foam nickel to obtain Li 2 SiO 3 a/Ni composite material. Li prepared by the invention 2 SiO 3 The micro-nano structure has good interface combination on the foam nickel, uniform shape and high phase purity.)
技术领域
本发明属于无机微纳米粉体制备技术领域，涉及一种Li2SiO3/Ni复合材料的制备方法。
背景技术
经济技术的快速发展使得社会对能源的需求不断增长，直接导致了日益加剧的环境污染、能源短缺等问题。偏硅酸锂(Li2SiO3)因其具有优异的高温结构稳定性、机械稳定性、无毒性，良好的氚溶解性和辐照性能以及与其他结构材料的良好兼容性等特殊性能，在新能源、环保等领域方面表现出潜在的应用价值，不仅可作为锂离子电池正极材料，还可以作为固体氚增值材料和环境材料等。而且，合成偏硅酸锂的原材料资源丰富、成本低、对环境无污染，因此对偏硅酸锂材料的进一步研究受到了更加广泛的关注。此外，泡沫镍(Nickel foam)具有三维多孔结构，因其具有高比表面积、高电子导电性、低成本和易于实际应用等优点而被广泛选择作为基底。在科学技术研究中，有很多方法用于在不同基底上合成偏硅酸锂微纳结构，比如固态反应法，煅烧法和溶胶凝胶法等。但是这些方法得到的偏硅酸锂微纳结构往往负载程度较差，且不均匀，表现出反应动力不足的固有缺陷。
现有研究利用水热反应工艺在泡沫镍上合成Li2SiO3微纳结构，负载程度良好且形态较为均一，较上述工艺在尺度上有很大的突破，虽实现了在泡沫镍上生长出Li2SiO3微纳结构，但是其对泡沫镍上的形貌调控并未填补空白。同时体系选取的原料Li/Si必须大于1.7，不符合标准的化学计量比，不但浪费原料，而且也会影响产品的负载程度。因此，如何通过一种简单有效的方法得到Li2SiO3/Ni复合材料仍然是现代科学技术研究亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Li2SiO3/Ni复合材料的制备方法，该方法制备的Li2SiO3微纳结构在泡沫镍上界面结合良好，形态均匀，相纯度高。
本发明所采用的技术方案是，一种Li2SiO3/Ni复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对泡沫镍进行处理；
步骤2，制备氢氧化锂水溶液；
步骤3，根据步骤2所得溶液制备混合溶液；
步骤4，制备样品负载的泡沫镍；
步骤5，对步骤4中制得样品负载的泡沫镍进行抽滤，分别用蒸馏水和酒精洗涤3～5次，去除残留溶液杂质，得到样品滤饼；
步骤6，将步骤5所得的样品滤饼在60～80℃下保温干燥12～24h，去除水分子和酒精分子，得到干燥样品负载的泡沫镍。
本发明的特点还在于：
步骤1的具体过程为：将未处理的泡沫镍置于过量的无水乙醇中超声20～40min去除表面杂质，并用去离子水冲洗3次，之后置于2～6mol/L盐酸中去除泡沫镍表面的NiO和残留离子，保鲜膜密封静置30～60min，并用去离子水清洗3次，得到处理后泡沫镍。
步骤2的具体过程为：将LiOH·H2O加入到70ml蒸馏水中，磁力搅拌30～40min，搅拌速度为600～1000r/min，使LiOH·H2O完全溶解，得到透明的氢氧化锂水溶液。
步骤3的具体过程为：将TEOS在5～10min内滴加到步骤2制备的透明氢氧化锂水溶液中，使Li/Si摩尔比例为1.7～10，滴加完成后继续进行磁力搅拌，磁力搅拌速度为600～1000r/min，搅拌时间为30～60min，得到均匀的混合溶液。
步骤4的具体步骤为：将步骤1得到的处理后泡沫镍和步骤3得到的混合溶液加入聚四氟乙烯内胆中，控制内胆的体积填充度为70～80％，不锈钢反应釜密封，于150～180℃下反应10～12h，得到样品负载的泡沫镍。
本发明的有益效果是：本发明采用蒸馏水(去离子水/纯水)溶剂作为水热反应介质，对环境无污染；所采用的原料为正硅酸四乙酯(TEOS)和一水氢氧化锂(LiOH·H2O)，保证后期反应动力足够的同时，也避免生成其他杂质和有害物质；采用泡沫镍作为导电基底，具有较大比表面积、高电导率，易于调控偏硅酸锂的形态；采用水热反应法，以不锈钢反应釜为外壳，密封安全，不会外溢有害物质，且反应温度低、节能环保；通过调整原料Li/Si摩尔配比(1.7～10)可以实现泡沫镍上Li2SiO3组装单元的形貌调控；所得Li2SiO3/Ni复合材料界面结合良好，形态均匀。
附图说明
图1为本发明一种Li2SiO3/Ni复合材料的制备方法制备的典型Li2SiO3/Ni复合材料的整体形貌图，图1(a)为整体形貌图，图1(b)为表面放大图片，图1(c)为组装单元柱状晶放大图；
图2为本发明一种Li2SiO3/Ni复合材料的制备方法制备的典型Li2SiO3/Ni复合材料的XRD物相图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种Li2SiO3/Ni复合材料的制备方法，将LiOH·H2O倒入蒸馏水中，待LiOH·H2O完全溶解，滴加TEOS，磁力搅拌均匀得到混合溶液，将混合溶液倒入聚四氟乙烯内胆，加入处理后泡沫镍，不锈钢反应釜密封并进行水热反应，得到样品负载后的泡沫镍，对所得产物进行抽滤、洗涤、干燥得到Li2SiO3/Ni复合材料。包括以下步骤：
步骤1，将未处理的泡沫镍置于过量无水乙醇中超声20～40min去除表面杂质，并用去离子水冲洗3次，之后置于2～6mol/L盐酸中去除泡沫镍表面的NiO和残留离子，保鲜膜密封静置30～60min，并用去离子水清洗3次，得到处理后泡沫镍；
步骤2，称取LiOH·H2O，将LiOH·H2O加入到70ml蒸馏水中，磁力搅拌30～40min，搅拌速度为600～1000r/min，使其完全溶解，得到透明的氢氧化锂水溶液；
步骤3，称取TEOS，在5～10min内滴加到步骤S2制备的透明氢氧化锂水溶液中，使Li/Si摩尔比例为1.7～10，滴加完成后继续磁力搅拌速度为600～1000r/min、搅拌时间为30～60min，得到均匀的混合溶液；
步骤4，将步骤1得到的处理后泡沫镍和步骤S3得到的混合溶液加入聚四氟乙烯内胆中，控制内胆的体积填充度为70～80％，不锈钢反应釜密封，于150～180℃下反应10～12h，得到样品负载的泡沫镍；
步骤5，对步骤4中制得样品负载的泡沫镍进行抽滤，分别用蒸馏水和酒精洗涤3～5次，去除残留溶液杂质，得到样品滤饼；
步骤6，将步骤5所得的泡沫镍和滤饼在60～80℃下保温干燥12～24h，去除水分子和酒精分子，得到干燥样品负载的泡沫镍。
本发明采用磁力搅拌操作简单，本方法无需密封操作，对于反应前期的操作要求低，便于工业生产。
本发明设置Li/Si摩尔配比为1.7～10，能够同时保证偏硅酸锂产物的高纯度和高结晶度。
本发明设置水热反应温度为150～180℃及反应时间为10～12h，可以调控偏硅酸锂微纳结构在泡沫镍上的负载程度和均匀性。
本发明中的混合溶剂配比、水热反应温度、时间和填充度范围较广泛，对于后面大范围的生产具有易于控制的意义。
本发明中的抽滤过程通过蒸馏水和酒精的洗涤，可以去除反应中残留的溶剂以及吸附于产物上的未反应离子，同时也能避免在后续干燥过程中发生硬团聚，提高产品的分散性。
本发明通过缓慢干燥可彻底去除洗涤时的水分和酒精分子，保证产品的干燥度。
本发明提供的制备方法采用的设备要求简易、操作简单便宜、原料价格低廉，原料比例等反应参数范围可调且易于控制，产品产率高，制得的微纳结构形态可控且负载均匀，适合大规模工业生产和商业推广。
实施例1
步骤1，将未处理泡沫镍置于过量无水乙醇中超声30min去除表面杂质，并用去离子水冲洗3次，之后置于2mol/L盐酸中去除泡沫镍表面NiO和残留离子，保鲜膜密封静置30min，并用去离子水清洗3次，得到处理后泡沫镍；
步骤2，称取LiOH·H2O，将LiOH·H2O加入到70ml蒸馏水中，磁力搅拌30min，搅拌速度为700r/min，使其完全溶解，得到透明的氢氧化锂水溶液；
步骤3，称取TEOS，在10min内滴加到步骤S,制备的透明氢氧化锂水溶液中，使Li/Si摩尔比例为1.8，滴加完成后继续磁力搅拌速度为700r/min、搅拌时间为30min，得到均匀的混合溶液；
步骤4，将步骤1得到的处理后泡沫镍和步骤S3得到的混合溶液加入聚四氟乙烯内胆中，控制内胆的体积填充度为80％，不锈钢反应釜密封，于180℃下反应12h，得到样品负载的泡沫镍；
步骤5，对步骤4中制得样品负载泡沫镍进行抽滤，分别用蒸馏水和酒精洗涤3次，去除残留溶液杂质，得到样品滤饼；
步骤6，将步骤5所得的泡沫镍滤饼在60℃下保温干燥24h，去除水分子和酒精分子，得到干燥样品负载的泡沫镍。
实施例2
步骤1，将未处理泡沫镍置于过量无水乙醇中超声30min去除表面杂质，并用去离子水冲洗3次，之后置于2mol/L盐酸中去除泡沫镍表面NiO和残留离子，保鲜膜密封静置30min，并用去离子水清洗3次，得到处理后泡沫镍；
步骤2，称取LiOH·H2O，将LiOH·H2O加入到70ml蒸馏水中，磁力搅拌30min，搅拌速度为700r/min，使其完全溶解，得到透明的氢氧化锂水溶液；
步骤3，称取TEOS，在10min内滴加到步骤2制备的透明氢氧化锂水溶液中，使Li/Si摩尔比例为2，滴加完成后继续磁力搅拌速度为700r/min、搅拌时间为30min，得到均匀的混合溶液；
步骤4，将步骤1得到的处理后泡沫镍和步骤S3得到的混合溶液加入聚四氟乙烯内胆中，控制内胆的体积填充度为80％，不锈钢反应釜密封，于180℃下反应12h，得到样品负载的泡沫镍；
步骤5，对步骤4中制得样品负载泡沫镍进行抽滤，分别用蒸馏水和酒精洗涤3次，去除残留溶液杂质，得到样品滤饼；
步骤6，将步骤5所得的泡沫镍滤饼在60℃下保温干燥24h，去除水分子和酒精分子，得到干燥样品负载的泡沫镍。
实施例3
步骤1，将未处理泡沫镍置于过量无水乙醇中超声30min去除表面杂质，并用去离子水冲洗3次，之后置于2mol/L盐酸中去除泡沫镍表面NiO和残留离子，保鲜膜密封静置30min，并用去离子水清洗3次，得到处理后泡沫镍；
步骤2，称取LiOH·H2O，将LiOH·H2O加入到70ml蒸馏水中，磁力搅拌30min，搅拌速度为700r/min，使其完全溶解，得到透明的氢氧化锂水溶液；
步骤3，称取TEOS，在10min内滴加到步骤2制备的透明氢氧化锂水溶液中，使Li/Si摩尔比例为2.5，滴加完成后继续磁力搅拌速度为700r/min、搅拌时间为30min，得到均匀的混合溶液；
步骤4，将步骤1得到的处理后泡沫镍和步骤3得到的混合溶液加入聚四氟乙烯内胆中，控制内胆的体积填充度为80％，不锈钢反应釜密封，于180℃下反应12h，得到样品负载的泡沫镍；
步骤5，对步骤4中制得样品负载泡沫镍进行抽滤，分别用蒸馏水和酒精洗涤3次，去除残留溶液杂质，得到样品滤饼；
步骤6，将步骤5所得的泡沫镍滤饼在60℃下保温干燥24h，去除水分子和酒精分子，得到干燥样品负载的泡沫镍。
实施例4
步骤1，将未处理泡沫镍置于过量无水乙醇中超声30min去除表面杂质，并用去离子水冲洗3次，之后置于2mol/L盐酸中去除泡沫镍表面NiO和残留离子，保鲜膜密封静置30min，并用去离子水清洗3次，得到处理后泡沫镍；
步骤2，称取LiOH·H2O，将LiOH·H2O加入到70ml蒸馏水中，磁力搅拌30min，搅拌速度为700r/min，使其完全溶解，得到透明的氢氧化锂水溶液；
步骤3，称取TEOS，在10min内滴加到步骤2制备的透明氢氧化锂水溶液中，使Li/Si摩尔比例为10，滴加完成后继续磁力搅拌速度为700r/min、搅拌时间为30min，得到均匀的混合溶液；
步骤4，将步骤1得到的处理后泡沫镍和步骤3得到的混合溶液加入聚四氟乙烯内胆中，控制内胆的体积填充度为80％，不锈钢反应釜密封，于180℃下反应12h，得到样品负载的泡沫镍；
步骤5，对步骤4中制得样品负载泡沫镍进行抽滤，分别用蒸馏水和酒精洗涤3次，去除残留溶液杂质，得到样品滤饼；
步骤6，将步骤5所得的泡沫镍滤饼在60℃下保温干燥24h，去除水分子和酒精分子，得到干燥样品负载的泡沫镍。
图1为本发明实施例3所得Li2SiO3/Ni复合材料的结构形貌图，图1(a)为复合材料的整体形貌；图1(b)为复合材料的表面放大图片；图1(c)为复合材料的组装单元柱状晶放大图。从图1(a)～(c)所示，复合材料的结构完整，棒状晶表面平整，说明了在泡沫镍上负载程度优异、形态均匀和较好的界面结合。
图2为本发明实施例3所得Li2SiO3/Ni复合材料的XRD图谱。从XRD图谱中并没有观察到其他任何杂质相，说明Li2SiO3/Ni复合材料的晶相纯度高，同时峰强度高，也进一步说明了样品的形态均匀。
本发明一种Li2SiO3/Ni复合材料的制备方法，所用原料包括蒸馏水(去离子水/纯水)、泡沫镍(Nickel foam)、正硅酸四乙酯(TEOS)和一水氢氧化锂(LiOH·H2O)，避免引入其他杂质和有害物质，对环境无污染。本发明设备要求简易、操作简单便宜、原料价格低廉，原料比例等反应参数范围可调且易于控制，产品负载程度均匀、界面结合良好，制得的Li2SiO3/Ni复合材料形态均匀且可控，适合大规模工业生产和商业推广。