[發明專利]電化學電容器用Fe2O3/C納米復合電極材料的制備方法

無效

• 申請號: 201110150179.5
• 申請日: 2011-06-10
• 公開（公告）號: CN102243922A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 余建國;羅培文;趙永男;郭佳
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種納米復合材料的制備方法，尤其涉及一種電化學電容器用Fe₂O₃/C納米復合電極材料的制備。

背景技術

電化學電容器(Electrochemical?Capacitor，EC)，又稱超級電容器，是一種介于靜電電容器和電池之間的新型儲能元件，與傳統的電容器相比，電化學電容器具有更高的比電容量，可存儲的比電容量為靜電電容器的幾十倍以上；與電池相比，則具有更高的比功率，可瞬間釋放出特大電流，具有充電時間短、充電效率高、循環使用壽命長、無記憶效應以及基本無需維護等特點。根據其儲能機理，電化學電容器可分為兩類：一類是基于高比表面碳材料與溶液間界面雙電層原理的雙電層電容器；另一類是基于二維或準二維材料表面的欠電位沉積或氧化還原過程的法拉第準電容器。

納米氧化鐵是一種重要的無機材料，在自然界的豐度高，價格低廉，無毒，對環境友好，是發展電化學電容器電極具潛力的候選電極材料，而且氧化鐵理論比容量大。目前氧化鐵在電化學電容器電極材料方面的應用研究不多，而且也普遍存在著比電容低、比能量不高以及循環壽命短的問題，如何改善和調整活性物質、增大氫氧析出過電位以提高工作電壓范圍是提高電容器比電容和比能量的關鍵。

本發明通過高溫分解三價鐵鹽與淀粉的復合物制備出了均勻分散于碳基體的納米三氧化二鐵，所制得的納米三氧化二鐵顆粒尺寸細小，尺寸分布窄。所制備的納米復合材料具有較大的比容量、放電電壓和好的循環性能，在電化學電容器方面有著潛在的應用前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種Fe₂O₃/C納米復合材料電化學電容器電極活性材料的制備方法，具有制備方法簡單易行、產品質量可靠、成本低廉、電容輸出量高、循環壽命長等特點。

本發明的技術方案是：通過高溫熱解硝酸鐵和淀粉的復合物，硝酸鐵高溫下分解得到三氧化二鐵，淀粉在高溫時發生碳化，三氧化二鐵均勻分布于碳基體中。

該制備方法包括如下的工藝步驟：

1.將淀粉加入去離子水中，并持續攪拌10～20分鐘。

2.按九水硝酸鐵與淀粉的質量比為1～0.1的比例稱量定量的九水硝酸鐵，將其加入到去離子水中，攪拌溶解，持續攪拌下向溶液中滴加0.5～4mol/L的稀硝酸至硝酸鐵完全溶解。

3.將步驟1和步驟2所得樣品混合并持續攪拌，加熱至100℃，保持20～60分鐘，得到淺黃色透明凝膠。

4.將步驟3所得到的透明凝膠置于40～60℃恒溫干燥箱5～15個小時，得到淺黃色干凝膠。

5.將步驟4得到的干凝膠置于管式爐中，氮氣保護下以5℃/s的速率升溫至500～800℃，恒溫3小時以上，自然冷卻至室溫得黑色樣品。

本發明所制備得到的納米三氧化二鐵具有粒徑細小，粒徑分布窄，分布均勻的特點。由于氧化鐵粒子分散于碳基體之中，從而有效抑制了納米粒子因較大的表面吉布斯自由能而產生團聚現象。本發明制備方法所得的納米Fe₂O₃/C復合材料的結構和形貌通過透射電子顯微鏡(TEM)、X-射線衍射(XRD)、X-射線電子能譜(XPS)等分析表征得到確證。XRD和XPS分析表明本發明方法所制備的氧化鐵為γ-Fe₂O₃，淀粉碳化后得到無定形碳。

將本發明所制備的樣品經過研磨后，按Fe₂O₃/C、乙炔黑、PTFE(聚四氟乙烯)乳液質量比為85∶10∶5稱量，混合均勻后加入適量乙醇調制成糊狀，均勻涂覆在泡沫鎳集流體上，經固化壓實。以兩片載有相等電極物質的泡沫鎳作為電容器正負極，無紡布作隔膜，組裝成對稱型電化學電容器，并在6mol/L的氫氧化鉀溶液中，以350mA/g的充放電電流密度下進行充放電測試。

本發明所制備的樣品經充放電測試發現充放電電壓可達1.4V，Fe₂O₃/C的制備工藝對電化學電容器的容量有很大的影響，尤其是煅燒溫度和反應物配比對電化學電容器容量的影響更顯著。

附圖說明

圖1是實施例1、2制備的Fe₂O₃/C納米復合材料的X射線光電子能譜分析(XPS)圖譜。插圖為標準數據庫中三氧化鐵鐵元素的譜圖。

圖2是實施例1、2制備的Fe₂O₃/C納米復合材料的粉末衍射(XRD)圖譜。