[發(fā)明專利]石墨烯與多孔氧化鐵復合材料的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310287612.9
• 申請日: 2013-07-09
• 公開（公告）號: CN103367720A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高濂;楊樹華;宋雪峰;張鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/52
• 代理公司: 上海旭誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種復合材料的制備方法，尤其涉及一種石墨烯與多孔氧化鐵復合材料的制備方法。所制備的石墨烯與多孔氧化鐵復合材料可作為電極材料或催化材料使用在新能源材料領(lǐng)域中。

背景技術(shù)

新能源的快速發(fā)展對電池和超級電容器等儲能系統(tǒng)的需求在日益增加。在作為電池和超級電容器的各種活性電極材料中，過度金屬氧化物占據(jù)了舉足輕重的地位。目前，盡管鎳、鈷、錳等氧化物及其氧化物的混合物在作為電化學儲能應用方面已被廣泛的研究并取得了豐碩的成果。但是，開發(fā)具有優(yōu)良電化學性能且對環(huán)境友好而又成本低廉的新的可替代電極材料也非常必要。氧化鐵由于資源豐富、成本低廉和環(huán)境友好等優(yōu)點得到廣大科研人員的關(guān)注。

Wu等通過陽極氧化法在鎳基上電沉積了氧化鐵（α-Fe₂O₃）薄膜，并用作超級電容器的電極材料，在3A/g時，其電容量可達173F/g（J?Electrochem?Solid?State?Lett2009，12，A1–A4）。Wang等通過液相沉淀法和隨后的煅燒處理制得了不同形貌的氧化鐵（α-Fe₂O₃）納米結(jié)構(gòu)，作為超級電容器的電極材料，其介孔多層納米片具有最大的電容量，在0.75A/g下為116.25F/g（Nanotechnology2011,22,135604）。其中，在合成的眾多氧化鐵納米結(jié)構(gòu)中，多孔氧化鐵由于其高的比表面積及其獨特的孔結(jié)構(gòu)，使其在儲能領(lǐng)域中受到廣大科研人員的青睞。而且，最近又有研究者發(fā)現(xiàn)（ACS?Nano2010,4,4505–4514），將納米氧化鐵與導電碳材料復合可以進一步加強其電化學性能。

石墨烯由于其優(yōu)異的物理化學性能被廣泛用作氧化鐵的負載體。Zhang等報道了一種石墨烯與氧化鐵的合成方法，所制備的材料用作鋰離子電池負極材料表現(xiàn)出了優(yōu)良的儲電性能（J.Mater.Chem.,2012,22,3868–3874）。Zhu等通過均勻沉淀和隨后的微波還原制得了石墨烯與氧化鐵復合材料，作為鋰離子電池負極材料其充放電容量分別可達1693和1227mAh/g，且其循環(huán)性能和比容量也非常優(yōu)異（ACS?Nano2011,5,3333–3338）。盡管已有多種石墨烯與氧化鐵復合材料被成功制備，但是石墨烯與多孔氧化鐵復合材料的制備方法及其在超級電容器中的應用尚未見報道。目前，石墨烯與氧化鐵復合材料的制備方法主要有微波誘導法、化學沉淀法、濕化學法等。其中，微波誘導法雖然所制物質(zhì)形貌可控，但是此方法通常需要昂貴的設(shè)備，且受設(shè)備的限制，難以大批量生產(chǎn)（J.Phys.Chem.C2011,115,20747–20753）。化學沉淀法盡管設(shè)備簡單但是過程復雜，且所制物質(zhì)形貌和尺寸難以控制（ACS?Nano2011,5,3333–3338）。濕化學法成本低、產(chǎn)量高、操作簡單可以大規(guī)模生產(chǎn)，但石墨烯與氧化鐵的界面反應與結(jié)合需借助各種表面活性劑，從而導致所合成的產(chǎn)物純度受到了限制，最終影響了產(chǎn)物的性能（New?J.Chem.,2012,36,1589–1595）。另外，多孔結(jié)構(gòu)的合成通常是通過模板法或利用兩親聚合物或表面活性劑作為導向劑來獲得（Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,4795–4799）。

因此，開發(fā)一種可作為電極材料或催化材料使用的石墨烯與多孔氧化鐵復合材料的簡單制備方法具有重大的理論和現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種生產(chǎn)成本低廉且簡單的方法來制備可作為超級電容器的電極材料或催化材料使用的石墨烯與多孔氧化鐵復合材料，并且此方法所制得的復合材料具有獨特的孔結(jié)構(gòu)，高的比表面積和優(yōu)良的導電性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種石墨烯與多孔氧化鐵復合材料的制備方法。其原理是：以含鐵無機鹽為鐵源，與氧化石墨烯進行反應，一步制得石墨烯與多孔氧化鐵復合材料；或者先制得石墨烯與多孔氧化鐵的前驅(qū)體，隨后在空氣或惰性氣體下進行煅燒制得石墨烯與多孔氧化鐵復合材料。

該制備方法的具體步驟如下:

(1)將含鐵無機鹽溶液與氧化石墨烯溶液混合均勻得到混合液,將所述混合液置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應釜中，在設(shè)定溫度和時間下進行反應，反應結(jié)束后使所得反應產(chǎn)物自然冷卻；

(2)將所述所得反應產(chǎn)物用蒸餾水和無水乙醇交替清洗，直到清洗液為中性為止，并進行干燥處理，得到石墨烯與多孔氧化鐵復合材料或石墨烯與多孔氧化鐵前驅(qū)體；如果所得到的產(chǎn)物是石墨烯多孔氧化鐵前驅(qū)體，則需要進行步驟（3）；