自组装合成石墨烯包覆粒径可控的三氧化二铁复合材料制备与应用研究

发布时间：2017-03-07 01:54

  本文关键词：自组装合成石墨烯包覆粒径可控的三氧化二铁复合材料制备与应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

《上海应用技术学院》 2015年

自组装合成石墨烯包覆粒径可控的三氧化二铁复合材料制备与应用研究

陈言伟  

【摘要】：氧化石墨烯因其优秀的可修饰性,且其被还原之后具有与石墨烯相近的性质,比如高比表面积,优越导电性,热稳定性,高机械性能等,是一种在能源转换方面非常有应用潜力的物质。相比于石墨烯,氧化石墨烯价格优宜,易于制备。以氧化石墨烯作为反应原材料的复合材料已成为研究热点,广泛应用于锂离子电池,超级电容器,光催化,水分解,燃料电池和太阳能电池等研究与应用。在锂离子电池负极材料中,三氧化二铁越来越受到关注,因为其超高理论容量(1005mA h g-1),环境友好,安全,廉价。然而在充放电过程中,三氧化二铁因其导电性差,体积效应明显,很大程度上限制了其作为锂离子电池负极材料的应用。研究发现将三氧化二铁制备成中空结构和将三氧化二铁包覆于导电材料中可以很好的改善其导电性和体积效应,从而可以有交提升电极结构稳定性,增强三氧化二铁电化学性能。在电能存储器件中,电池因其充放电速率较慢,从而限制了其在大电流充放电或是快速充放电场合的应用。电容器因其能够快速充放电的独特性质,在很多场合被广泛使用。中空的金属氧化物材料因其独特的中空结构,有利于电子与离子快速进出电极材料,且能够改善充放电过程中不可避免的体积效应,减缓多次循环后容量急剧衰减,有利于维持电极材料结构稳定,从而吸引了大量关注与研究。石墨烯基电极材料中以包覆结构最为引人关注。石墨烯包覆的金属氧化物用作电极材料能够充分利用金属氧化物的储锂特性,石墨烯的导电性,石墨烯作为结构骨架的机械性能,能够缓慢充放过程中的体积效应,增强复合材料导电性,从而提高电极材料电化学性能,目前被研究人员认为具有优秀应用前景。本课题利用氧化石墨烯的独特结构与性质,制备出了氧化石墨烯包覆的中空的粒径可控的三氧化二铁复合材料GHFs,并测试其锂离子电池的电化学性能与电容器性能。具体研究结果如下：1.以氧化石墨烯为基底,采用一步水热法制备出石墨烯包覆的三氧化二铁,作为电极材料,在100 mA g-1下,用恒定电流充放电,循环50次后,锂电容量仍在420 mAh g-1,并且在高电流密度1000 mA g-1下,容量仍高达230 mAh g-1。该材料说明三氧化铁颗粒间的石墨烯具有提高材料的导电性能作用。2.进一步改善反应条件,通过控制反应原料,反应溶剂,反应条件,制备出颗粒大小均匀,且颗粒可以控制分布从2000 nm至50 nm,且大于300 nm的颗粒为明显中空结构。将上述制备所得材料用于锂离子电池,测试所得结果优异,以300 nm大小三氧化二铁颗粒为例,作为电极材料,在100 mA g-1,循环50次后,其锂离子电池性能950 mA h g-1,并且在高电流密度1000 mA g-1下,容量仍高达640 mAh g-1。该材料说明三氧化铁颗粒大小,中空结构,石墨烯和三氧化二铁之间的协同作用,石墨烯包覆结构不仅可以提高材料的传输电子速度和脱嵌锂离子能力,而且可以减缓GHFs的体积效应,从而提高复合材料的锂离子电池性能。3.将上述制备得到复合材料用于超级电容器测试,以300nm大小三氧化二铁颗粒为例,在1Ag-1条件下,其容量密度为350Fg-1,循环500次以后,基容量密度几乎不变。

【关键词】：
【学位授予单位】：上海应用技术学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ138.11;TB332
【目录】：

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