铁氧化物粉体在锂电及磁共振成像的应用研究

发布时间：2020-03-28 02:20

【摘要】：铁氧化物粉体廉价易得、环境友好,在颜料、磁记录材料、催化剂、生物医学等诸多领域有着广阔的应用。本论文主要研究铁氧化物粉体的合成,以及所合成的粉体在锂离子电池和核磁共振成像两个方面的应用性能。在锂离子电池中作为电极材料应用时,控制氧化铁的微观形貌与结构是优化其电化学性能的有效途径。本论文通过溶剂热法、溶胶凝胶法分别制备了不同晶相组成和形貌结构的铁氧化物粉体,并采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对产物进行表征,探究了不同的制备方法及工艺条件对铁氧化物粉体的形貌和结构的影响,进一步组装电池后通过蓝电(LAND)电池测试系统,对所合成铁氧化物粉体的电化学性能进行研究。主要研究工作如下:(1)采用溶剂热方法合成了纯相的Fe_3O_4材料,探究了反应温度和反应时间对Fe_3O_4纳米颗粒形貌结构和尺寸的影响,并对其晶体结构和电化学性能进行了测试分析,结果显示:反应温度200°C,保温时间10h条件下溶剂热法合成的Fe_3O_4材料是纯相,样品是由Fe_3O_4纳米颗粒紧密堆积的微球。Fe_3O_4微球直径在300~600nm,形状大小均一并且没有显著团聚现象。该材料作为负极首次放电比容量为1172.6mAh/g,循环30次后,放电比容量保持在372.3mAh/g。(2)采用溶胶凝胶法和常压干燥工艺,并通过焙烧制备出α-Fe_2O_3负极材料。探究了制备工艺对α-Fe_2O_3纳米颗粒形貌结构和尺寸的影响,研究了不同焙烧温度和保温时间条件下α-Fe_2O_3负极材料的性能变化规律。结果显示:前驱体焙烧温度优选600°C,保温时间优选3h,最终产物α-Fe_2O_3纳米颗粒分散较好。所合成的α-Fe_2O_3作为负极材料首次放电比容量为1148mAh/g,经过30次充放电循环后,放电比容量维持在473mAh/g。(3)采用机械混合法将α-Fe_2O_3/Fe_3O_4共混作为负极材料,探究了不同配比下α-Fe_2O_3/Fe_3O_4材料的电化学性能,得到如下结果:α-Fe_2O_3/Fe_3O_4(1:9)首次放电比容量和充电比容量分别为1128.8mAh/g和800.1mAh/g,库伦效率为70.9%。电流密度为50mA/g时,α-Fe_2O_3/Fe_3O_4(1:9)首次容量衰减后,比容量维持在849.3mAh/g左右。在电流密度为100mA/g时,其可逆容量维持在664.5mAh/g左右,随着电流密度的增大,比容量出现下降,但是循环稳定性较好。在核磁共振成像领域应用方面,作为一种新型磁共振造影剂,超顺磁性氧化铁造影剂的灵敏度仍显不足,细胞示踪往往需要高浓度纳米粒子完成标记,这会造成一定的细胞毒性,如能将单一的氧化铁纳米颗粒构建成致密的团簇结构,不但能够维持原有超顺磁特性,并且其成像性能也能够大大提高。因此,本论文采用L-抗坏血酸棕榈酸酯来包裹超顺磁性氧化铁纳米粒子,通过亲疏水自组装作用实现团簇结构的制备。通过调节Vc与SPIO质量比例(2:1和5:1)构建了不同的纳米Vc-SPIO探针,并完成磁共振成像检测,进一步培养RAW264.7巨噬细胞并应用Vc-SPIO纳米探针(铁浓度0~25ug/ml)完成细胞标记,进行了细胞毒性CCK-8检测研究。结果表明当Vc:SPIO为2:1时,在实验的铁浓度范围内,细胞依然保持正常活性;当Vc:SPIO为5:1时,随着铁浓度的增大细胞活性降低,当铁浓度大于15ug/ml时有一定的细胞毒性。Vc-SPIO在低于15ug/ml浓度时对RAW264.7的生物活性没有明显影响,可以实现RAW264.7细胞标记,为下一步动物实验奠定基础。
【图文】：

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图 1.2 Fe3O4空心球的生长过程示意图(Wang 等，2013) Schematic illustration of the formation process of the hollow Fe3O4mic热法是将水热法中的反应介质变为有机溶剂或者非水溶剂。溶表面羟基较少，比水热法制备的材料分散性要好。制备纳聚很重要，因此溶剂热法也得到更多关注。Xiong 等(201、醋酸钠及聚乙烯吡咯烷酮为前驱体，制备了自组装的空方法，Zhu 等(2014)得到了多孔橄榄状 Fe3O4/C 复合材料。凝胶法类经溶液、溶胶、凝胶最终固化等步骤得到前驱体，热处法即为溶胶凝胶法(sol-gel )。这种方法在铁氧化物的制备法制备的粉体化学均匀性好、纯度高、粒径小且分布均匀骨架焙烧后能够提供大量的孔道，对于锂离子电池电解液

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板法法是用特定结构的预制模板引导纳米材料的生长，使产物形成这种法。碳纳米管导电性好，，结构稳定，铁氧化物填充到碳纳米管中能铁氧化物的利用率和电化学性能。Yan 等(2013)以多壁碳纳米管及体，将二茂铁中析出的铁高温条件下填入碳纳米管中，然后用 C有较好循环性能的嵌入式 Fe2O3/MWCNTs 复合材料。图 1.3 为其制锂示意图。Lei 等(2014)在羟基氧化铁表面包覆 SiO2模板后，再将在 SiO2表面，经过高温焙烧，SiO2模板被除去进而形成中空的 Fe。体系的循环稳定性也因充放电时体积变化减小而增强。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.3;R310

【参考文献】