Способ получения композита триоксид ванадия/углерод Российский патент 2018 года по МПК C01G31/02 C01B32/15 B82B3/00 B82Y30/00 H01M4/48 

Изобретение относится к способу получения композитов в мелкодисперсном состоянии, в частности композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C, который может быть использован в качестве эффективного электродного материала литиевых источников тока (Y. Shi, Z. Zhang, D. Wexler et al. Facile synthesis of porous V₂O₃/C composites as lithium storage material with enhanced capacity and good rate capability // J. Power Sources 2015. V. 275 P. 392-398), а также терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (Y. Zhang, М. Fan, X. Liu et al. Beltlike V₂O₃@C core-shell-structured composite: design, preparation, characterization, phase transition, and improvement of electrochemical properties of V₂O₃ // Eur. J. Inorg. Chem. 2012. №10. P. 1650-1659).

Известен способ получения композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C. Способ включает несколько стадий. На первой стадии получают активированный углерод обработкой продукта карбонизации фенольной смолы раствором азотной кислоты HNO₃ с концентрацией 3-6 М при 70-100°C. На второй стадии готовят водный раствор поверхностноактивного вещества (мицеллярный раствор) растворением при 50-70°C катионного сурфактанта, например цетилтриметиламмоний бромида или алкил-триметиламмоний бромида. Затем, используя ультразвук, смешивают мицеллярный раствор с активированным углеродом в соотношении 1-5÷1. Полученную суспензию добавляют к водному раствору метаванадата аммония NH₄VO₃ с концентрацией 2-4% в соотношении (0.9÷5) - 1. Затем реакционную массу отжигают в аргоне при температуре 700-900°C в течение 2-4 ч. По данным рентгенофазового анализа (РФА) полученный композит соответствует V₂O₃ ромбоэдрической сингонии (JCPDS 071-0280). Согласно сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) частицы композита имеют морфологию пластин (Патент CN 104078247, МПК H01G 11/32, H01G 11/46, H01G 11/86, 2014 год).

Недостатком известного способа является многостадийность, обусловленная необходимостью предварительной активации углерода, а также использование в качестве компонента реакционной смеси токсичной фенольной смолы, имеющей II класс опасности и обладающей канцерогенным действием. Кроме того, фенольная смола является огнеопасной.

Известен способ получения композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C с использованием глюкозы C₆H₁₂O₆ как источника углерода и ацетилацетоната ванадила VO(C₅H₇O₂)₂. В известном способе к этанольному раствору, содержащему ацетилаце-тонат ванадила (1-3 г) и глюкозу (4-6 г), при перемешивании добавляют 30%-ный раствор пероксида водорода H₂O₂ до установления pH раствора, равного 2-6. Полученную реакционную массу подвергают трехступенчатому нагреву. Первоначально - в автоклаве при 120-240°C в течение 2-48 ч с последующей промывкой продукта, затем в вакууме при 60-80°C в течение 12 ч, после чего ведут отжиг в атмосфере азота и водорода при температуре 400-800°C в течение 2-8 ч. Согласно СЭМ полученный композит образован частицами в форме сфер диаметром ~ 300 нм (Патент CN 103553131, МПК CO1B 31/02, CO1G 31/02, HO1M 4/36, H01M 4/48, 2014 год).

Недостатком известного способа является сложность процесса, обусловленная наличием трехступенчатой термообработки и использованием автоклавного оборудования, а также отжигом в атмосфере взрывоопасного водорода.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C, включающий растворение в воде при перемешивании 0.54 г порошка пентаоксида ванадия V₂O₅, 0.81 г щавелевой кислоты H₂C₂O₄, с последующим добавлением к полученному раствору при температуре 60°C 0.25 г глюкозы C₆H₁₂O₆ и 0.45 г полиэтиленоксида [-OC₂H₄-]_n. Полученную гомогенную вязкую жидкость сушат при температуре 80°C в течение 24 ч с последующим отжигом в аргоне при температуре 600°C в течение 3 ч. Согласно СЭМ полученный композит образован агломерированными частицами с нерегулярной морфологией (Y. Dong, R. Ma, М. Ни et al. Polymer-pyrolysis synthesis of vanadium trioxide and carbon nanocomposites as high performance anode materials for lithium-ion batteries // J. Power Sources 2014. V. 261. P. 184-187) (прототип).

Недостатком известного способа является длительность процесса (27 ч), а также невысокое качество конечного продукта за счет агломерации частиц, приводящей к уменьшению площади удельной поверхности.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения композита триоксид ванадия/углерод, позволяющий сократить длительность процесса и повысить качество конечного продукта за счет уменьшения степени агломерации частиц.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения композита триоксид ванадия/углерод состава V₂O₃/C, включающем растворение в воде карбоновой кислоты, добавление к раствору карбоновой кислоты оксидного соединения ванадия, сушку и последующий отжиг, в котором в качестве карбоновой кислоты используют яблочную кислоту С₄Н₆О₅ или лимонную кислоту C₆H₈O₇, в качестве оксидного соединения ванадия используют гидроксид ванадила VO(OH)₂, при этом молярное соотношение яблочная или лимонная кислота : гидроксид ванадила равно 0,75÷2:1, а отжиг ведут в инертной атмосфере при температуре 490-550°C в течение 1-2 часов.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C с использованием в качестве исходных ингредиентов гидроксида ванадила и яблочной кислоты, или гидроксида ванадила и лимонной кислоты в предлагаемых авторами условиях.

Исследования, проведенные авторами, позволили сделать вывод, что использование в качестве источника углерода яблочной кислоты C₄H₆O₅ или лимонной кислоты C₆H₈O₇, отличающихся наличием не только карбоксильной группы (O=C-OH), характерной для всех карбоновых кислот, но и альдегидной группы (H-C=O), позволяет указанному реагенту участвовать также в кислотно-основном взаимодействии с гидроксидом ванадила, проявляя одновременно и окислительно-восстановительные свойства. При этом происходит мягкое восстановление ионов ванадия (IV) до ванадия(III). Кроме того, проведение синтеза в условиях жидкофазного взаимодействия химических ингредиентов обеспечивает равномерное формирование оксидной и углеродной составляющих композита.

Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что для получения композита состава V₂O₃/C в случае использования углеродной компоненты в твердом состоянии (в виде графена, мезопористого углерода, графина или какой-либо другой аллотропной модификации углерода) невозможно достичь равномерного распределения углерода на поверхности частиц триоксида ванадия. Использование авторами в качестве реакционной смеси водного раствора яблочной кислоты C₄H₆O₅ или лимонной кислоты C₆H₈O₇, как источника углерода, и раствора гидроксида ванадила VO(OH)₂, как источника ванадия, позволяет осуществлять жидкофазный синтез,и вводить углерод в состав композита in situ, то есть в процессе формирования композита при разложении яблочной или лимонной кислот при термолизе в инертной атмосфере. Кроме того, кислотно-основное взаимодействие между гидроксидом ванадила VO(OH)₂ и лимонной или яблочной кислотой, приводящее с образованию истинного раствора, дополнительно способствует гомогенизации конечного продукта. Такой подход к осуществлению процесса получения композита V₂O₃/C обеспечивает надежность равномерного распределения углеродной составляющей композита. Гомогенное диспергирование углерода в композите предотвращает агрегацию частиц конечного продукта, увеличивает проводимость системы, что в конечном итоге повышает стабильность работы различных устройств, изготовленных на основе композита триоксид ванадия/углерод как материала.

Авторами экспериментальным путем было установлено, что существенным фактором, определяющим состав и структуру конечного продукта является использование лимонной или яблочной кислот и гидроксида ванадила в молярном соотношении C₄H₆O₅ (или C₆H₈O₇) : VO(OH)₂=0.75÷2:1. Соблюдение указанного соотношения обусловлено необходимостью получения истинного ванадийсодержащего раствора в результате кислотного-основного взаимодействия между гидроксидом ванадила и лимонной или яблочной кислотой. При уменьшении молярного соотношения исходных компонентов реакционной массы (содержание лимонной или яблочной кислоты по отношению к гидроксиду ванадила меньше, чем 0.75) в продуктах реакции наблюдается в качестве примеси гидроксид ванадила. При увеличении молярного соотношения исходных компонентов реакционной массы (содержание лимонной или яблочной кислоты по отношению к гидроксиду ванадила больше, чем 2) дополнительно с основной фазой V₂O₃/C могут образовываться оксиды ванадия с переменной валентностью, так называемые фазы Магнели, общей формулы V_nO_2n-1. Также при снижении температуры термолиза менее 490°C или при повышении ее выше 550°C в конечном продукте появляются примесные фазы оксидов ванадия. При этом наблюдается агломерация частиц основной фазы V₂O₃/C.

На фиг. 1 представлены рентгенограммы композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C, полученные при использовании лимонной или яблочной кислоты.

На фиг. 2 приведено изображение композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C с морфологией микропластин, полученное на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения.

На фиг. 3 представлены КР-спектры композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C, полученные при использовании лимонной или яблочной кислоты.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Берут порошок лимонной C₆H₈O₇ или яблочной кислоты C₄H₆O₅ и растворяют его в воде. К полученному раствору при перемешивании добавляют порошок гидроксида ванадила VO(OH)₂, взятый в молярном соотношении яблочная или лимонная кислота: гидроксид ванадила=0.75÷2: 1, до получения истинного раствора. Полученный раствор синего цвета сушат на воздухе при температуре 50-60°C в течение 1-4 ч. Затем гомогенную смесь отжигают в токе инертного газа (азота или аргона) при температуре 490-550°C в течение 1-2 ч. Аттестацию полученного продукта проводят с помощью рентгенофазового анализа (РФА), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и КР-спектроскопии. Содержание углерода в композите определяли термогравиметрическим методом. По данным РФА полученный порошок является композитом триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C на основе ромбоэдрической структуры триоксида ванадия V₂O₃ с параметрами элементарной ячейки , (фиг. 1). Согласно СЭМ частицы V₂O₃/C имеют морфологию микропластин длиной 400-800 нм и толщиной 30-40 нм (фиг. 2). Наличие свободного углерода в композите триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C подтверждается КР-спектроскопией (фиг. 3). На КР-спектре наблюдается G - полоса (graphitic) с частотой 1593 см^-1, характеризующая колебания графитоподобной системы sp-углеродных связей, и D- полоса (disordered) с частотой 1349 см^-1, связанная с разупорядочением графитоподобного остова. По данным химического анализа концентрация углерода в композите V₂O₃/C равна 19.1 вес. %. Размер частиц, вычисленный по данным рентгеновского анализа с использованием уравнения Шеррера, не превышает 10,3 нм.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 1,5593 г порошка лимонной кислоты C₆H₈O₇ и растворяют его в 50 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют 1,0 г порошка гидроксида ванадила VO(OH)₂ в молярном соотношении (C₆H₈O₇):VO(OH)₂=0.75:1. Полученный истинный раствор сушат на воздухе при температуре 60°C в течение 2 ч. Затем гомогенную смесь помещают в печь, нагревают в токе азота до 490°C и выдерживают 2 ч. По данным РФА, СЭМ, КР-спектроскопии и термогравиметрического анализа полученный продукт является композитом V₂O₃/C на основе ромбоэдрической сингонии триоксида ванадия с концентрацией углерода, равной 19,1 вес. %, состоящим из частиц с морфологией микропластин длиной 400-800 нм и толщиной 30-40 нм.

Пример 2. Берут 4,158 г порошка лимонной кислоты C₆H₈O₇ и растворяют его в 50 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют 1,0 г порошка гидроксида ванадила VO(OH)₂ в молярном соотношении (C₆H₈O₇):VO(OH)₂=2:1. Полученный истинный раствор сушат на воздухе при температуре 60°C в течение 4 ч. Затем гомогенную смесь помещают в печь, нагревают в токе азота до 500°C и выдерживают 1 ч. По данным РФА, СЭМ, КР-спектроскопии и термогравиметрического анализа полученный продукт является композитом V₂O₃/C на основе ромбоэдрической сингонии триоксида ванадия с концентрацией углерода, равной 19,1 вес. %, состоящим из частиц с морфологией микропластин длиной 400-800 нм и толщиной 30-40 нм.

Пример 3. Берут 0,39 г порошка лимонной кислоты C₆H₈O₇ и растворяют его в 50 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют 0,811 г порошка гидроксида ванадила VO(OH)₂ в молярном соотношении (C₆H₈O₇):VO(OH)₂=1:1. Полученный истинный раствор сушат на воздухе при температуре 50°C в течение 3 ч. Затем гомогенную смесь помещают в печь, нагревают в токе азота до 550°C и выдерживают 1 ч. По данным РФА, СЭМ, КР-спектроскопии и термогравиметрического анализа полученный продукт является композитом V₂O₃/C на основе ромбоэдрической сингонии триоксида ванадия с концентрацией углерода, равной 19,1 вес. %, состоящим из частиц с морфологией микропластин длиной 400-800 нм и толщиной 30-40 нм.

Пример 4. Берут 2,6532 г порошка яблочной кислоты C₄H₆O₅ и растворяют его в 50 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют 1,0 г порошка гидроксида ванадила VO(OH)₂ в молярном соотношении (C₄H₆O₅):VO(OH)₂=2:1. Полученный истинный раствор сушат на воздухе при температуре 60°C в течение 3 ч. Затем гомогенную смесь помещают в печь, нагревают в токе азота до 550°C и выдерживают 1 ч. По данным РФА, СЭМ, КР-спектроскопии и термогравиметрического анализа полученный продукт является композитом V₂O₃/C на основе ромбоэдрической сингонии триоксида ванадия с концентрацией углерода, равной 19,1 вес. %, состоящим из частиц с морфологией микропластин длиной 400-800 нм и толщиной 30-40 нм.

Пример 5. Берут 2,6532 г порошка яблочной кислоты C₄H₆O₅ и растворяют его в 50 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют 1,0 г порошка гидроксида ванадила VO(OH)₂ в молярном соотношении (C₄H₆O₅):VO(OH)₂=1:1. Полученный истинный раствор сушат на воздухе при температуре 50°C в течение 4 ч. Затем гомогенную смесь помещают в печь, нагревают в токе азота до 490°C и выдерживают 1 ч. По данным РФА, СЭМ, КР-спектроскопии и термогравиметрического анализа полученный продукт является композитом V₂O₃/C на основе ромбоэдрической сингонии триоксида ванадия с концентрацией углерода, равной 19,1 вес. %, состоящим из частиц с морфологией микропластин длиной 400-800 нм и толщиной 30-40 нм.

Таким образом, авторами предлагается простой и технологичный способ получения композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C, исключающий использование вредных или ядовитых ингредиентов, входящих в состав реакционной массы и обеспечивающий получение продукта с равномерным распределением частиц компонентов, что исключает их агломерацию, повышая качество конечного продукта, при этом значительно сокращается время получения.

Изобретение может быть использовано для получения электродного материала литиевых источников тока. Способ получения композита триоксид ванадия/углерод V₂O₃/C включает растворение в воде карбоновой кислоты, добавление оксидного соединения ванадия, сушку и последующий отжиг. В качестве карбоновой кислоты используют яблочную или лимонную кислоту. В качестве оксидного соединения ванадия используют гидроксид ванадила. Молярное соотношение яблочная или лимонная кислота : гидроксид ванадила равно (0,75-2):1. Отжиг ведут в инертной атмосфере при температуре 490-550°C в течение 1-2 ч. Изобретение позволяет исключить использование вредных или ядовитых ингредиентов, обеспечить получение продукта с равномерным распределением частиц компонентов, уменьшить агломерацию частиц, сократить длительность процесса. 3 ил., 5 пр.

Способ получения композита триоксид ванадия/углерод, включающий растворение в воде карбоновой кислоты, добавление к раствору карбоновой кислоты оксидного соединения ванадия, сушку и последующий отжиг, отличающийся тем, что в качестве карбоновой кислоты используют яблочную или лимонную кислоту, в качестве оксидного соединения ванадия используют гидроксид ванадила, при этом молярное соотношение яблочная или лимонная кислота : гидроксид ванадила равно 0,75÷2:1, а отжиг ведут в инертной атмосфере при температуре 490-550°C в течение 1-2 часов.