CN104157858A - 分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法和应用 - Google Patents

分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法，该材料可作为高倍率锂离子电池负极活性材料，其由无定形钒氧化物、晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分组成，其直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度为3～5nm，比表面积达32～36m2/g，孔径分布在2-40nm之间，本发明的有益效果是：本发明作为锂离子电池负极活性材料时，该纳米线表现出高容量与高倍率特性，是高性能的锂离子电池的潜在应用材料。本发明工艺简单，符合绿色化学的要求，对设备要求低，有利于市场化推广。

Description

分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法，该材料可作为高倍率锂离子电池负极活性材料。
背景技术
在过去的几十年里，环境污染和化石能源的过度消耗使得发展一种具有高能量和功率密度的能量转化和存储系统更为迫切。而在这些不同的系统中，锂离子电池因其高的能量密度和长的循环寿命被广受关注。目前，作为商业化的锂离子电池负极材料，石墨的理论容量相对较低，因此开发具有高容量的锂离子电池负极材料具有重要的应用价值和现实意义。在高容量的负极材料中，铁氧化物因其廉价，储量丰富，易于合成等特点得到广泛的关注和研究。然而，这些材料存在较低的锂离子扩散系数，低的容量保持率，在脱嵌锂离子过程中大的体积变化等问题，从而限制了其作为锂离子电池负极材料的应用。
纳米线因其特有的电化学和结构优势在储能应用中展现了许多优点。对于锂离子电池，纳米线不仅提供了极短的锂离子扩散距离，同时连续的电子传输路径保证了良好的电子传导，在储能应用中具有巨大的优势。此外，多孔结构能够极大地增加电极材料与电解液的接触，进一步提高离子扩散的速率。同时其中的孔隙为材料在循环过程中发生的体积膨胀提供了有效的缓冲空间，避免结构的坍塌，提高电极材料的循环稳定性。因此在纳米线中造孔是一种最有效的提高材料电化学性能的方法之一。
为了进一步提高材料的高倍率性能，则需要提高材料导电能力。石墨烯因其具有极高的电导率，近年来各种纳米形貌的石墨烯和活性物质的复合物已被多次报导，证实了石墨烯对于改善材料的电化学性能具有极其重要的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法，其原料来源广，制备工艺简单，具有优良电化学性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线，其由无定形钒氧化物、晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分组成，其直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度为3～5nm，比表面积达32～36m2/g，孔径分布在2-40nm之间，采用下述方法制得，包括有以下步骤：
1)将六水合氯化铁加入到去离子水中，搅拌10-20min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入氧化石墨烯水分散液，搅拌10-20min；
3)将偏钒酸铵加入到去离子水中，在水浴中搅拌10-20min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和氧化石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入反应釜中水热反应，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并分别用水和无水乙醇洗涤3-5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中煅烧，即得到无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
按上述方案，步骤1)所述的六水合氯化铁为1～3mmol；去离子水为10mL；步骤2)所述的氧化石墨烯水溶液中含氧化石墨烯40mg；步骤3)所述的NH4VO3为1～3mmol，且其与六水合氯化铁的摩尔比为1:1，水浴温度为80℃。
按上述方案，步骤5)所述的水热反应温度为170～190℃；反应时间为3～5小时。
按上述方案，步骤7)所述的煅烧气氛为氢气，煅烧温度为400～500℃；煅烧时间为3～5小时。
所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的制备方法，包括有以下步骤：
1)将六水合氯化铁加入到去离子水中，搅拌10-20min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入氧化石墨烯水分散液，搅拌10-20min；
3)将偏钒酸铵加入到去离子水中，在水浴中搅拌10-20min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和氧化石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入反应釜中水热反应，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并分别用水和无水乙醇洗涤3-5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中煅烧，即得到无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线作为高倍率锂离子电池负极活性材料的应用。
本发明将原钒酸铁/石墨烯复合物在还原气氛下煅烧产生相分离，并通过钒氧化物的无定性化和铁氧化物的晶形化得到以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线，通过缩短锂离子扩散距离，提高了材料的电导率，在锂离子脱嵌过程中缓冲材料体积急剧变化而保证其结构和化学稳定性，进而有效提高了材料的电化学性能。该材料作为锂电池负极活性材料时，在0.1A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明其放电比容量可达1146mAh g-1，当测试电流密度达到5A g-1时，其可逆比容量仍然接近500mAh g-1。并且在2A g-1的电流密度下，循环100圈之后容量保持率为99％。该结果表明该以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线具有高容量与高倍率特性，是锂电池的潜在应用材料。
本发明的有益效果是：基于多孔纳米线结构和石墨烯复合纳米材料的独特优势，通过水热以及在氢气气氛下煅烧的相分离过程合成以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线材料。本发明作为锂离子电池负极活性材料时，该纳米线表现出高容量与高倍率特性，是高性能的锂离子电池的潜在应用材料。本发明工艺简单，符合绿色化学的要求，对设备要求低，有利于市场化推广。
附图说明
图1是本发明实施例1的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的XRD图；
图2是本发明实施例1的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的SEM图；
图3是本发明实施例1的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的低倍和高倍的TEM图；
图4是本发明实施例1的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线Raman光谱图；
图5是本发明实施例1的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的BET及孔径分布图；
图6是本发明实施例1的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的倍率图；
图7是本发明实施例1的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线在电流密度为2A g-1时的循环图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线制备方法，它包括如下步骤：
1)将2mmol的六水合氯化铁加入到10mL去离子水中，搅拌10min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入20mL浓度为2g L-1石墨烯，搅拌15min；
3)将2mmol的偏钒酸铵加入到去10mL去离子水中，在80℃水浴中搅拌10min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入50mL反应釜中，在180℃条件下反应3小时，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并用分别用水和无水乙醇洗涤3-5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中，在氢气气氛下500℃煅烧4个小时，即得到无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
以本实例产物无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线为例，其结构由X-射线衍射仪确定。如图1所示，X-射线衍射图谱(XRD)表明，无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线为Fe3O4(JCPDS卡片号为：01-089-0691)，其中在26度左右的峰也说明了石墨烯的存在。如图2所示，场发射扫描电镜(FESEM)测试表明，该多孔纳米线直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其比表面积达35.9m2/g，孔径分布在2-5和20-40nm，如图3所示，透射电镜(TEM)及高分辨透射电镜(HRTEM)测试表明该分级多孔纳米线由无定形的钒氧化物，晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分所组成，其中石墨烯的厚度在3nm左右。如图4所示，拉曼光谱(Ramanspectrum)也显示了石墨烯所有的D和G的特征峰，进一步说明了石墨烯的存在。
本实例制备的以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线作为锂离子电池负极活性材料，锂离子电池的制备方法其余步骤与通常的制备方法相同。正极片的制备方法如下，采用以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线作为活性材料，乙炔黑作为导电剂，羧甲基纤维素作为粘结剂，活性材料、乙炔黑、羧甲基纤维素的质量比为60:30:10，将它们按比例充分混合后，超声30分钟，再将其均匀涂布在铜箔上，其活性物质的负载量为1.2-1.5g cm-1，在150℃的烘箱干燥2h后，用冲孔机冲成圆片后备用。以1M的LiPF6溶解于乙烯碳酸酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)中作为电解液，锂片为负极，Celgard2325为隔膜，CR2016型不锈钢为电池外壳组装成扣式锂离子电池。
该制备的以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线作为锂离子电池负极活性材料作为锂电池负极活性材料时，如图6所示，在0.1A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明其放电比容量可达1146mAh g-1，当测试电流密度达到5A g-1时，其可逆比容量仍然接近500mAh g-1如图7所示，在2A g-1的电流密度下，循环100圈之后容量保持率为99％。该结果表明该以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线具有高容量与高倍率特性，是锂电池的潜在应用材料。
实施例2：
以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线制备方法，它包括如下步骤：
1)将1.5mmol的六水合氯化铁加入到10mL去离子水中，搅拌15min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入20mL浓度为2g L-1石墨烯，搅拌10min；
3)将1.5mmol的偏钒酸铵加入到去10mL去离子水中，在80℃水浴中搅拌15min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入50mL反应釜中，在185℃条件下反应4小时，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并用分别用水和无水乙醇洗涤3次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中，在氢气气氛下500℃煅烧4.5个小时，即得到以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
以本实施产物为例，其分级介孔纳米线由无定形的钒氧化物，晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分所组成，直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度约为3nm，其比表面积达32.7m2/g，孔径分布在2～40nm。
以本实例制备的以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线为例，0.1A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量分别可达1148mAhg-1，5A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量可达487mAhg-1。
实施例3：
以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线制备方法，它包括如下步骤：
1)将2.5mmol的六水合氯化铁加入到10mL去离子水中，搅拌15min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入20mL浓度为2g L-1石墨烯，搅拌10min；
3)将2.5mmol的偏钒酸铵加入到去10mL去离子水中，在80℃水浴中搅拌15min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入50mL反应釜中，在175℃条件下反应5小时，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并用分别用水和无水乙醇洗涤3次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中，在氢气气氛下450℃煅烧4个小时，即得到以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
以本实施产物为例，其分级介孔纳米线由无定形的钒氧化物，晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分所组成，直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度为4nm，其比表面积达33.8m2/g，孔径分布在2-40nm。
以本实例制备的以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线为例，0.1A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量分别可达1128mAhg-1，5A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量可达467mAhg-1。
实施例4：
以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线制备方法，它包括如下步骤：
1)将2mmol的六水合氯化铁加入到10mL去离子水中，搅拌15min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入20mL浓度为2g L-1石墨烯，搅拌10min；
3)将2mmol的偏钒酸铵加入到去10mL去离子水中，在80℃水浴中搅拌15min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入50mL反应釜中，在180℃条件下反应3小时，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并用分别用水和无水乙醇洗涤3次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中，在氢气气氛下400℃煅烧3个小时，即得到以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
以本实施产物为例，其分级介孔纳米线由无定形的钒氧化物，晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分所组成，直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度为3nm，其比表面积达35.8m2/g，孔径分布在2-40nm。
以本实例制备的以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线为例，0.1A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量分别可达1127mAhg-1，5A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量可达470mAhg-1。
实施例5：
以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线制备方法，它包括如下步骤：
1)将2mmol的六水合氯化铁加入到10mL去离子水中，搅拌15min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入10mL浓度为4g L-1石墨烯，搅拌20min；
3)将2mmol的偏钒酸铵加入到去10mL去离子水中，在80℃水浴中搅拌20min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入50mL反应釜中，在180℃条件下反应4小时，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并用分别用水和无水乙醇洗涤4次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中，在氢气气氛下500℃煅烧5个小时，即得到以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
以本实施产物为例，其分级介孔纳米线由无定形的钒氧化物，晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分所组成，直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度为5nm，其比表面积达35.6m2/g，孔径分布在2-40nm。
以本实例制备的以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线为例，0.1A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量分别可达1145mAhg-1，5Ag-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量可达466mAhg-1。
实施例6：
以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线制备方法，它包括如下步骤：
1)将2mmol的六水合氯化铁加入到10mL去离子水中，搅拌15min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入20mL浓度为2g L-1石墨烯，搅拌20min；
3)将2mmol的偏钒酸铵加入到去10mL去离子水中，在80℃水浴中搅拌15min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和石墨烯的混合物中，搅拌15min；
5)将步骤4)所得的溶液转入50mL反应釜中，在180℃条件下反应3小时，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并用分别用水和无水乙醇洗涤5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中，在氢气气氛下450℃煅4个小时，即得到以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
以本实施产物为例，其分级介孔纳米线由无定形的钒氧化物，晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分所组成，直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度约为3nm，其比表面积达32.5m2/g，孔径分布在2-40nm。
以本实例制备的以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线为例，0.1A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量分别可达1152mAhg-1，5A g-1电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其放电比容量可达471mAhg-1。

Claims (9)

1.分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线，其由无定形钒氧化物、晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分组成，其直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度为3～5nm，比表面积达32～36m2/g，孔径分布在2-40nm之间，采用下述方法制得，包括有以下步骤：
1)将六水合氯化铁加入到去离子水中，搅拌10-20min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入氧化石墨烯水分散液，搅拌10-20min；
3)将偏钒酸铵加入到去离子水中，在水浴中搅拌10-20min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和氧化石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入反应釜中水热反应，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并分别用水和无水乙醇洗涤3-5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中煅烧，即得到无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
2.根据权利要求1所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线，其特征在于步骤1)所述的六水合氯化铁为1～3mmol；去离子水为10mL；步骤2)所述的氧化石墨烯水溶液中含氧化石墨烯40mg；步骤3)所述的NH4VO3为1～3mmol，且其与六水合氯化铁的摩尔比为1:1，水浴温度为80℃。
3.根据权利要求1或2所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线，其特征在于步骤5)所述的水热反应温度为170～190℃；反应时间为3～5小时。
4.根据权利要求1或2所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线，其特征在于步骤7)所述的煅烧气氛为氢气，煅烧温度为400～500℃；煅烧时间为3～5小时。
5.权利要求1所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的制备方法，包括有以下步骤：
1)将六水合氯化铁加入到去离子水中，搅拌10-20min使其溶解；
2)在步骤1)所得溶液中，加入氧化石墨烯水分散液，搅拌10-20min；
3)将偏钒酸铵加入到去离子水中，在水浴中搅拌10-20min；
4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和氧化石墨烯的混合物中，搅拌10min；
5)将步骤4)所得的溶液转入反应釜中水热反应，取出反应釜，自然冷却至室温；
6)将步骤5)所得产物离心过滤，并分别用水和无水乙醇洗涤3-5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；
7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中煅烧，即得到无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。
6.根据权利要求5所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的制备方法，其特征在于步骤1)所述的六水合氯化铁为1～3mmol；去离子水为10mL；步骤2)所述的氧化石墨烯水溶液中含氧化石墨烯40mg；步骤3)所述的NH4VO3为1～3mmol，且其与六水合氯化铁的摩尔比为1:1，水浴温度为80℃。
7.根据权利要求5或6所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的制备方法，其特征在于步骤5)所述的水热反应温度为170～190℃；反应时间为3～5小时。
8.根据权利要求5或6所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的制备方法，其特征在于步骤7)所述的煅烧气氛为氢气，煅烧温度为400～500℃；煅烧时间为3～5小时。
9.权利要求1所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线作为高倍率锂离子电池负极活性材料的应用。
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