[發明專利]一種介孔氧化鐵/氧化錳/碳復合納米材料、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201610910701.8
• 申請日: 2016-10-19
• 公開（公告）號: CN106571243B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 馬立夢;沈紹典;張晗;毛東森;盧冠忠
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/46;H01G11/24;H01G11/86;B82Y30/00
• 代理公司: 上海精晟知識產權代理有限公司31253
• 代理人: 楊軍

技術領域

本發明屬于無機納米材料技術領域，具體來說，涉及一種介孔氧化鐵/氧化錳/碳復合納米材料、制備方法及其應用。

背景技術

納米結構材料具有特殊的電子、光學和磁性質，受到人們的廣泛關注。超分子模板，如表面活性劑和嵌段聚合物，常作為“軟模板”用來合成不同組成的納米結構材料(包括二氧化硅、金屬、金屬氧化物、金屬磷酸鹽以及有機硅酸化合物)。

由于近十幾年來，便攜式電子電器產品，以及電動汽車的迅速發展，都極大地促進了新電源技術的發展。超級電容器是一種具有高功率長壽命等一系列優點的綠色儲能裝置，對于解決世界面臨的能源短缺和環境污染等問題具有重要的意義。因此開發具有高能量的存儲的電極材料是當前的一個迫切的任務。超級電容器主要分為雙點層超級電容器，法拉第準電容超級電容器，混合型超級電容器三種，由于金屬氧化物在電極/溶液界面反應所產生的法拉第準電容要遠大于碳材料的雙點層電容，因此引起了不少研究者的興趣。

簡單過渡金屬及過渡金屬氧化物因為具有較高的理論電容量，因此受到廣泛的關注，是即具有潛力的新一代電池材料。其中鐵的氧化物具有較高的理論比容量、廉價和環境友好等優點，受到了較多的研究。

吳超等采用高溫固相反應法制備了α-Fe₂O₃/C復合材料。具體過程為：商品化α-Fe₂O₃與蔗糖按質量比為10：1的比例在球磨機中球磨混合均勻，接著將混合物于管式爐中在動態氬氣保護和800℃下焙燒12h，等溫度自然降低到室溫后，將焙燒后的混合物從管式爐中取出后在研缽中研磨1h，即得到α-Fe₂O₃/C復合材料。未經碳包覆的α-Fe₂O₃首次充電容量高達1163.8mAh/g，但是其循環穩定性能很差，50周循環后充電容量為501.3mAh/g，容量保持率僅為43.1％。雖然經碳包覆的α-Fe₂O₃/C復合材料首次充電容量只有700.1mAh/g，但是充電容量隨著循環次數穩步提升，50周循環后充電容量達到935.3mAh/g。上述結果表明，碳包覆能大幅度提高α-Fe₂O₃的循環性能。這里制備得到的材料相比于單純的氧化鐵添加了碳，增加了材料的穩定性，但是合成的并不是介孔材料，因此比表面積不是很大(吳超.鐵基氧化物的制備與電極界面性能研究[D].江蘇：中國礦業大學，2014.)。

王曖鐘等利用錳源化合物、鐵源化合物、磷源化合物和鋰源化合物作為前驅體，按照Mn:Fe:P:Li元素的摩爾比位0.8：:02:1:3稱量并分別加水溶解，然后將添加劑溶解后，將各個溶液依次混合，并在通入氬氣保護的條件下攪拌均勻，用氨水調節PH值為8-9之間，將混合體系轉移到反應釜中加熱，再將得到的沉淀洗滌離心干燥，最后與適量的碳源混合，經過研磨、煅燒過程，最終得到磷酸氧化鐵/氧化錳鋰材料，本發明通過加入表面活性劑或者絡合劑等添加劑，添加劑通過離子鍵過氫鍵與生成的微晶顆粒晶核連結在一起，影響晶粒的某一方向的生長，使其沿特定的方向生長，從而形成特定形貌的產物。(王曖鐘，熊俊威，王盈盈，張建新等，一種長方體型鋰電池正極材料磷酸氧化鐵/氧化錳鋰的制備方法。中國CN：105036103A；2015-11-11)

桑顯葵等利用羧基化改性的納米纖維素為模版，具體操作是在羧基化改性的納米纖維素分散液中加入鐵鹽溶液，用氨水調節pH，待鐵鹽中的鐵離子吸附在納米纖維上形成復合物之后，脫水，灼燒，所得產物即為孔徑均勻、分散性好的納米介孔氧化鐵。通過這種方法制備的介孔氧化鐵應該屬于硬模板法組制備，這種方法制備的材料的孔徑不可調(桑顯葵，劉新亮，覃程榮，戴毅，高聰，張逸霞，黃琳娟.一種納米介孔氧化鐵的制備方法：中國，CN104341009A[P].2015-02-11)

綜上所述，目前已經通過多種方法制備得到了氧化鐵，或者氧化鐵跟某種材料的混合物，但是還是很少有人做出介孔鐵跟錳材料的復合物，并且跟碳復合之后應用在電化學上的實例。同時以前制備氧化鐵的過程相對來說比較繁瑣，通過水解方法制備過程不太容易控制，合成出來的材料的比表面積相對來說都不是很高。

發明內容

針對現有技術中的上述技術問題，本發明提供了一種介孔氧化鐵/氧化錳/碳復合納米材料、制備方法及其應用。本發明制備方法操作簡單，容易控制。介孔氧化鐵/氧化錳/碳復合納米材料具有高結晶度和較大比表面積；將其應用在電化學上，表現出了良好的電化學性能，比電容量高。