铋粉的制备方法及应用

背景及概述^[1][2]

铋粉属有色金属的粉末，性状呈浅灰色。其用途十分广泛，主要用于制取铋制品、铋合金和铋的化合物。中国的铋资源居世界首位，中国已有铋矿70多处，使得中国成为世界铋的绝对优势国家。铋作为可安全使用的“绿色金属”，目前除用于医药行业外，也广泛应用于半导体、超导体、阻燃剂、颜料、化妆品等领域，有望取代有毒铅、锑、镉汞等元素。另外，铋是逆磁性最强的金属，在磁场作用下电阻率增大而热导率降低，在热电和超导方面也有很好的应用前景。

制备^[1]

铋粉传统的生产方法有水雾法，气雾化法和球磨法；水雾法在水中雾化及烘干时，因铋粉的表面积大易造成铋氧化；同样，气雾化法在高温下，铋与氧接触也易造成大量氧化；两种方法均造成杂质多，铋粉末形状不规则，颗粒分布不均匀。而球磨法是：人工用不锈钢锤击铋锭至≤10mm的铋粒，或者用水淬铋。然后铋粒进入有真空环境，陶瓷橡胶为内衬的球磨机粉碎，这种方法虽然在真空中球磨，氧化少，杂质低，但费工费时，产率低，成本高，颗粒粗达120目，影响产品质量。发明专利CN201010147094.7提供了一种超细铋粉的生产方法，采用湿法化学工艺生产，产能大，整个生产过程和氧接触时间短，氧化率低，杂质少，铋粉含氧量0＜0.6，颗粒分布均匀；粒度-300目。

本发明的技术方案如下：

1)配制氯化铋溶液：取密度1.35-1.4g/cm3的氯化铋原液，加入含盐酸4％-6％的酸化纯水溶液；酸化纯水溶液与氯化铋原液的体积比是1∶1-2；

2)合成：向已配制好的氯化铋溶液中加入表面清洗干净的锌锭；开始置换反应；观察反应终点，当达到反应终点时，取出未溶解的锌锭，沉淀2-4小时；所述的反应终点的观察判断依据是：参与反应的溶液中有气泡冒出；

3)分离铋粉：将步骤2)沉淀物的上层清液抽出用常规方法回收锌；余下的沉淀铋粉用含盐酸4％-6％的酸化纯水溶液搅拌洗涤5-8遍，再用纯水漂洗铋粉至中性；用离心机迅速甩干铋粉后，立即用无水乙醇对铋粉进行浸泡，再甩干；

4)干燥：将步骤3)处理过的铋粉送温度为60±1℃的真空干燥器中烘干，制得-300目的铋粉成品。

根据以上工艺方法生产的铋粉，其优点是所获产品纯度高达99％；粒度超细小，可达-300目，实测本发明所制得的铋粉的化学成分：Bi＞99，Fe＜0.1，O＜0.5，BiO＜0.1，Cr＜0.01，Cu＜0.01，Si＜0.02，其它杂质＜0.18；同时由于采用锌锭置换工艺，化学反应仅涉及锌溶解和铋析出，避免了大量生成化学气体的弊端，减轻对环境的污染和对人体的危害。本发明与现有技术相比，本发明的整个工序仅在离心机甩干中与空气短时接触，其它过程都有反应液体或无水乙醇，或真空与氧气隔离，故氧化率低。

应用 ^[2]

已有技术可以制备出不同形貌的低维纳米铋材料、铋纳米线、铋纳米管等等，但是铋的二维超薄材料铋烯还没有相关制备技术，部分原因可能是铋前驱体或者水热合成条件很难控制。很多六方晶系材料是由二维材料堆叠构成宏观的晶体结构，而二维材料平面内化学键非常强，层间范德瓦尔相互作用则非常弱，这使得二维材料可以通过各种方法克服层间弱的相互作用力，从其相应块材料剥离得到二维纳 米片。现阶段高体积比容量、循环稳定的合金作为负极的技术达到了瓶颈，液相剥离石墨烯、墨磷已有研究，磷烯尽管有较高的容量，但是磷烯在空气中非常容易氧化，怕氧怕水。

发明专利CN201710588276提供了一种二维铋烯的制备方法及锂离子电池，将铋粉加入剥离溶剂内超声振动预定时间，以得到混合溶剂，离心去除所述混合溶剂中未剥离的铋粉，以取得上清液，采用液相剥离的方法制备二维铋烯，制备工艺简单，且制备的二维铋烯具有较高的体积比容量和循环稳定性。为实现上述目的，该制备方法包括以下步骤：

(1)将铋粉加入剥离溶剂内超声振动预定时间，在超声振动过程中，所述铋粉在所述剥离溶剂的作用下部分被剥离成片状，以此得到带片状铋烯的混合溶剂；

(2)离心去除所述混合溶剂中未剥离的铋粉，以取得上清液，所述上清液中保留有 所述片状铋烯；

(3)将得到的所述上清液进行离心真空干燥，以得到片状的二维铋烯。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的二维铋烯的制备方法及锂离子电池主要具有以下有益效果：

1.将铋粉加入剥离溶剂内超声振动预定时间，以得到混合溶剂，离心去除所述混 合溶剂中未剥离的铋粉，以取得上清液，采用液相剥离的方法制备二维铋烯，制备工艺简 单，且制备的二维铋烯具有较高的体积比容量和循环稳定性；

2.将二维铋烯用作电极材料的锂离子电池在0.5C(1883mA/cm3， 190mA/g)电流密 度下进行恒电流充放电，循环150次后仍保持初始容量的 90％左右，具有较好的循环特性；

3.二维铋烯的厚度为3纳米～5纳米，经过实验证明，二维铋烯在不同电流密度下的体积容量几乎没有明显衰减，具有较好的倍率性能。

主要参考资料

[1] CN201010147094.7 一种超细铋粉的生产方法

[2] CN201710588276.X 一种二维铋烯的制备方法及锂离子电池