本发明涉及一种功能纳米材料的制备领域，具体涉及一种磷酸铁钠纳米线的制备方法。
背景技术
随着经济社会的不断发展，能源变得愈发重要，其已经成为了当今社会能够稳定发展的基石。其中，以煤、石油、天然气为代表的化石燃料是目前能源应用的主角，占到能源消费总量的80%以上，由于这些能源在使用过程中具有一定的不可再生性及使用后产生的大量污染物，这使得开发出一种清洁可持续利用的有效能源显得尤为重要。
在这个过程中，动力电池的概念应用而生，其中，以锂离子电池为典型代表的动力电池目前已经取得了一定的商业化成功应用，如特斯拉的roaster2，其最快时速达到400公里，续航里程达到1000公里，这说明以锂离子电池为代表的动力电池具有很广阔的应用前景，但是，锂离子电池中的锂源近年来也随着锂电池的广泛应用，其价格也日益水涨船高，这一方面归因于市场的巨大需求量，另一面，实质也是最主要的是因为就全球来看，锂矿相对较少，全球的锂储量也不多。
由此，发展一种能够替代锂离子电池正极材料具有重要意义。钠离子电池与锂离子电池类似，都是一种新型的二次离子电池，都在大规模的储能领域具有广泛的应用，相比锂矿，钠矿不但具有广泛的分布，而且其含量更高；而且，钠离子电池相比锂离子电池，具有更高的电势，这使得钠离子电池的电解质选择范围更加广泛，这意味着，使用钠离子电池替代锂离子电池具有很强的可行性。
关于钠离子电池的研究，目前也取得了很多的进展，如中国专利cn105006548a公开了一种微波法合成钠离子电池正极材料nafepo4的方法，使用微波的方法直接简单快速的合成出所需的产物，其优点是：节能，加热速度快，无污染，样品晶粒细化、结构均匀，可以精确控制。还比如中国专利cn106587000a公开了一种磷酸铁钠纳米棒的制备方法，其将反应溶液配制好后，通过微波一步法直接制备出了磷酸铁钠纳米棒，其优点是反应操作简单、反应温度低、制备周期短、无需后处理及对环境友好。又比如chunli等人在《journalofmaterialschemistrya》上发表的题为“hollowamorphousnafepo4nanospheresasahigh-capacityandhigh-ratecathodeforsodiumionbatteries”关于磷酸铁钠纳米球的制备方法，其通过一种硬模板的方法制备出了具有优异电学性能的磷酸铁钠纳米球，该电极材料在循环充电300圈后仍然具有很好的循环稳定性；此外，韩国汉阳大学的seung-minoh等人发表的题为“reversiblenafepo4electrodeforsodiumsecondarybatteries”文章中通过离子交换的方式制备出橄榄石型的磷酸铁钠，将该电极材料用于钠离子电池时，发现其经过50圈的循环后仍然具有很好的循环稳定性，且其比电容达到125mah/g。这些都说明使用磷酸铁钠作为钠离子电池正极材料替代锂离子电池具有很强的可行性，而目前关于磷酸铁钠的研究相对较少，对于其形貌的可控合成更是缺乏深入研究。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种磷酸铁钠纳米线的制备方法，以实现对于磷酸铁钠形貌的可控研究，本发明所用的试剂较为简单，无毒无害，制备方法简易，易于实现，不需要特殊处理，且制备出的磷酸钠铁纳米线具有均整的形貌和均一的尺寸，其长径比高达600左右，将其应用于钠离子电池取得了良好的电化学性能。
为了实现本发明的目的，本发明是这样实现的，该方法主要包括两步，第一步，先制备出磷酸铁锂纳米线；第二步，将第一步制备的磷酸铁锂纳米线通过离子交换的方式转变为磷酸铁钠纳米线。
为了更加清楚的表明本发明的技术方案，本发明具体包括以下步骤，
第一步，将制备磷酸铁锂的原料混合均匀，所述原料包括铁源、锂源、磷源以及模板剂；具体的，称取适量的铁源、锂源、磷源和模板剂溶于溶剂中，然后进行水热反应，使得所述的反应物沿着模板剂的孔洞进行有规则的生长；生长结束后，将磷酸铁锂纳米线复合模板剂进行脱除模板剂操作，所述的脱除模板剂操作是指使用特定试剂溶解模板剂，得到目标产物磷酸铁锂纳米线；得到磷酸铁锂纳米线后，使用大量的乙醇和去离子水交替进行洗涤，以除去表面的模板剂溶剂，得到净化的磷酸铁锂纳米线，进而，将其进行高温烧结，以进一步提高磷酸铁锂的结晶性能，进而有利于其电化学性能的表现。
第二步，将前述得到的磷酸铁锂纳米线通过离子交换的方式得到最终的产物磷酸铁钠纳米线，其中，所述的离子交换是指，先将制备得到的磷酸铁锂纳米线制备成电极材料，然后将其组装为电池，对该电池进行充电，使得磷酸铁锂纳米线中的锂全部脱出，待锂脱出后，将电池拆开，将得到的正极电极片在氩气氛围下，用碳酸甲乙酯（emc）进行洗涤，之后在真空条件下进行烘干处理；将干燥的粉体制备成电极片，以金属钠为负极，制成电池后通过嵌钠后即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。
进一步的，第一步中的铁源是指硫酸亚铁、氯化亚铁或硝酸亚铁中的一种或多种；锂源是碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂或氯化锂中的一种或多种；磷源是指磷酸、磷酸二氢铵或磷酸氢铵中的一种或几种。
进一步的，第一步中锂源：铁源：磷源的摩尔比为0.5-5:1-2:1。
进一步的，第一步中模板剂是指阳极氧化铝（aao）、sba-15、zsm-5中的一种。
进一步的，第一步中特定试剂是指lioh、naoh、koh中的一种或几种。
进一步的，第一步中水热条件是150-300℃，反应5-24h，所述的高温烧结是指在500-1200℃下烧结4-12h。
进一步的，第二步中离子交换中的电极片制备是指采用本领域常规的制备方法进行制备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
首先，本发明首次成功制备出磷酸铁钠纳米线，其长径比高达600左右，具有很好的形貌均整性；其次，本发明通过先制备磷酸铁锂纳米线后再通过离子交换的方式制备的磷酸铁钠纳米线，很好的保持了原始的橄榄石型结构，而非磷铁钠矿型；最后，将该磷酸铁钠纳米线用于电池测试，发现其具有很好的电化学性能表现。
附图说明
图1本发明制备的磷酸铁钠纳米线的低倍透射电子照片；
图2本发明制备的磷酸铁钠纳米线的高倍透射电子照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施方法并非对本申请的限定，所有不脱离本发明发明构思的技术方案均在本发明的保护范围内。
实施例1
按照li：fe：p的摩尔比为1：1：1的计量比分别称取碳酸锂、硫酸亚铁和磷酸，将称量好的物质加入到去离子水中，形成均匀的溶液，再加入占溶液总重量0.5%的模板剂sba-15进行充分搅拌，混合均匀后，使用ph调整剂调节ph至9，然后将上述混合溶液装入反应釜中，在180℃下反应15h，反应结束后，自然冷却至室温，过滤洗涤产物后用1m的naoh处理产物以除去模板剂，将得到的产物在用去离子和乙醇进行充分洗涤，之后在80℃下过夜干燥，干燥得到的粉体在800℃下进行烧结3h即得到磷酸铁锂纳米线；将得到的磷酸铁锂纳米线先制备成电极片，组装成电池后先进行脱锂操作，之后，再进行嵌钠操作，即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。
实施例2
按照li：fe：p的摩尔比为1：1：1的计量比分别称取草酸锂、氯化亚铁和磷酸，将称量好的物质加入到去离子水中，形成均匀的溶液，再加入占溶液总重量1.0%的模板剂sba-15进行充分搅拌，混合均匀后，使用ph调整剂调节ph至9，然后将上述混合溶液装入反应釜中，在160℃下反应12h，反应结束后，自然冷却至室温，过滤洗涤产物后用1m的naoh处理产物以除去模板剂，将得到的产物在用去离子和乙醇进行充分洗涤，之后在80℃下过夜干燥，干燥得到的粉体在800℃下进行烧结3h即得到磷酸铁锂纳米线；将得到的磷酸铁锂纳米线先制备成电极片，组装成电池后先进行脱锂操作，之后，再进行嵌钠操作，即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。
实施例3
按照li：fe：p的摩尔比为0.8：1：1的计量比分别称取碳酸锂、氯化亚铁和磷酸氢铵，将称量好的物质加入到去离子水中，形成均匀的溶液，再加入占溶液总重量0.5%的模板剂aao进行充分搅拌，混合均匀后，使用ph调整剂调节ph至10，然后将上述混合溶液装入反应釜中，在160℃下反应12h，反应结束后，自然冷却至室温，过滤洗涤产物后用1m的naoh处理产物以除去模板剂，将得到的产物在用去离子和乙醇进行充分洗涤，之后在80℃下过夜干燥，干燥得到的粉体在800℃下进行烧结3h即得到磷酸铁锂纳米线；将得到的磷酸铁锂纳米线先制备成电极片，组装成电池后先进行脱锂操作，之后，再进行嵌钠操作，即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。
实施例4
按照li：fe：p的摩尔比为1：1：1的计量比分别称取碳酸锂、氯化亚铁和磷酸氢铵，将称量好的物质加入到去离子水中，形成均匀的溶液，再加入占溶液总重量0.8%的模板剂aao进行充分搅拌，混合均匀后，使用ph调整剂调节ph至10，然后将上述混合溶液装入反应釜中，在200℃下反应10h，反应结束后，自然冷却至室温，过滤洗涤产物后用1m的naoh处理产物以除去模板剂，将得到的产物在用去离子和乙醇进行充分洗涤，之后在80℃下过夜干燥，干燥得到的粉体在700℃下进行烧结5h即得到磷酸铁锂纳米线；将得到的磷酸铁锂纳米线先制备成电极片，组装成电池后先进行脱锂操作，之后，再进行嵌钠操作，即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。
实施例5
按照li：fe：p的摩尔比为1：1.2：1的计量比分别称取碳酸锂、氯化亚铁和磷酸氢铵，将称量好的物质加入到去离子水中，形成均匀的溶液，再加入占溶液总重量1.0%的模板剂aao进行充分搅拌，混合均匀后，使用ph调整剂调节ph至10，然后将上述混合溶液装入反应釜中，在160℃下反应12h，反应结束后，自然冷却至室温，过滤洗涤产物后用1m的naoh处理产物以除去模板剂，将得到的产物在用去离子和乙醇进行充分洗涤，之后在80℃下过夜干燥，干燥得到的粉体在700℃下进行烧结5h即得到磷酸铁锂纳米线；将得到的磷酸铁锂纳米线先制备成电极片，组装成电池后先进行脱锂操作，之后，再进行嵌钠操作，即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。
实施例6
按照li：fe：p的摩尔比为1：1：1的计量比分别称取碳酸锂、氯化亚铁和磷酸氢铵，将称量好的物质加入到去离子水中，形成均匀的溶液，再加入占溶液总重量0.5%的模板剂sba-15进行充分搅拌，混合均匀后，使用ph调整剂调节ph至10，然后将上述混合溶液装入反应釜中，在160℃下反应12h，反应结束后，自然冷却至室温，过滤洗涤产物后用1m的lioh处理产物以除去模板剂，将得到的产物在用去离子和乙醇进行充分洗涤，之后在80℃下过夜干燥，干燥得到的粉体在800℃下进行烧结3h即得到磷酸铁锂纳米线；将得到的磷酸铁锂纳米线先制备成电极片，组装成电池后先进行脱锂操作，之后，再进行嵌钠操作，即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。
实施例7
按照li：fe：p的摩尔比为1：1：1的计量比分别称取碳酸锂、氯化亚铁和磷酸氢铵，将称量好的物质加入到去离子水中，形成均匀的溶液，再加入占溶液总重量0.5%的模板剂sba-15进行充分搅拌，混合均匀后，使用ph调整剂调节ph至10，然后将上述混合溶液装入反应釜中，在160℃下反应12h，反应结束后，自然冷却至室温，过滤洗涤产物后用1m的naoh处理产物以除去模板剂，将得到的产物在用去离子和乙醇进行充分洗涤，之后在80℃下过夜干燥，干燥得到的粉体在1000℃下进行烧结3h即得到磷酸铁锂纳米线；将得到的磷酸铁锂纳米线先制备成电极片，组装成电池后先进行脱锂操作，之后，再进行嵌钠操作，即可得到最终的产物—磷酸铁钠纳米线。