一种三维γ-Fe2O3纳米材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种三维γ‑Fe2O3纳米材料的制备方法及其应用。本发明专利技术首先向有机溶剂中加入铁源，加热使其达到回流状态，然后将电解液在电场的作用下有序沉积到具有3D结构的导电基底上，经退火处理后制备得到γ‑Fe2O3材料。本发明专利技术的材料具有三维微米或纳米的多孔结构；通过电化学测试，具有卓越的循环和倍率性能，可用作超级电容器的电极材料。本发明专利技术的优点在于，制备过程简单，成本低廉，对设备要求低。得到的材料沉积物和微孔结构均匀，沉积厚度具有可控性，产品均一性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源存储材料制备
，涉及一种纳米材料，具体来说，涉及一种γ-Fe2O3纳米材料的制备方法及其应用。
技术介绍
能源在人类文明的发展和现代科技的进步中，始终扮演着一个重要的角色，它是人类永恒的追求。能源存储，是向多功能、高效能源应用的一个重要的中间步骤，在学术界和产业界都受到了极大的关注。在各种能源存储系统中，电化学储能设备(如电池和超级电容器)由于其效率高、通用性和可塑性等优势，进行了广泛的研究，并且还被认为是在不久的将来最有前途的绿色可持续能源存储系统。在电化学储能设备中，超级电容器因其独特的高功率密度、循环寿命长和快速充放电等优势而受到了人们的极大关注。而这些优势也促使了它在电动汽车、航空航天、混合燃料电池等方面发挥了巨大作用。当前，越来越多的过渡金属氧化物被用于储能系统-超级电容器的研究中，如RuOx，IrOx等。然而，这些材料在自然界资源匮乏，价格昂贵，且不够绿色环保，因此，对铁氧化物这类理论比容量高、能量密度高、资源丰富、环境友好以及价格低廉的材料的需求就更为迫切。然而，就Fe2O3用作超级电容器材料时，存在着一些弊端：首先，该材料在基体电极做大容量充放电的过程中，易导致电极的粉碎；再次，金属氧化物高的电阻率易导致器件高的内电阻，严重影响了其应用价值。因此，制备出高性能三氧化二铁材料显得尤为重要。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种三维γ-Fe2O3纳米材料的制备方法及其应用。本专利技术制备工艺简单，成本低廉，得到的材料具有三维多孔结构，电化学性能卓越，可用作超级电容器材料。本专利技术的技术方案具体介绍如下。本专利技术提供一种三维γ-Fe2O3纳米材料的制备方法，具体步骤如下：(1)将铁盐和有机溶剂按照质量体积比为0.01：1-1:1g/L进行混合，得到铁盐分散液；其中：所述有机溶剂选自1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、二甲基甲酰胺(DMF)、丁内酯(GBL)、丙酮或乙醇中任一种；(2)将步骤(1)所得的铁盐分散液作为电泳沉积的电解液，以相同或者不同材质的导电基底分别作为电泳沉积池的正、负极极片，将电解液加热到回流后，进行电泳沉积；电泳
沉积结束后，取负极极片置于马弗炉中退火处理，即在负极极片的表面得到γ-Fe2O3纳米材料，其中：负极极片具有3D结构。上述步骤(1)中，所述铁盐选自九水硝酸铁、六水氯化铁、硫酸铁或醋酸铁中任意一种或两种。上述步骤(1)中，铁盐和有机溶剂的质量体积比为0.03：1-1:1g/L。上述步骤(2)中，所述导电基底为金属导体基体，非金属导体基体或者两者结合。优选的，所述金属导体基体为铜、铝、镍或不锈钢。所述非金属导体基体为碳纤维纺织品、玻璃碳电极或导电聚合物。更优选的，所述的导电聚合物为聚苯胺。上述步骤(2)中，正、负极片之间的间距为1-50mm，外加电压为10-100V，回流时间为0.5-4h，沉积时间为1-60min，退火温度为200-500℃，退火时间为1-5h。优选的，正、负极片之间的间距为5-15mm，外加电压为50-70V，回流时间为0.5-4h，沉积时间为5-20min，退火温度为200-500℃，退火时间为1-5h。进一步优选的，正、负极极片间距为5-15mm，外加电压为60V，回流时间为1h，沉积时间为10min，退火温度为300℃，退火时间为2h。本专利技术还提供一种上述三维γ-Fe2O3纳米材料在制备超级电容器方面的应用。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术的一种γ-Fe2O3纳米材料的制备方法，由于采用电泳沉积的方法制备电极材料，该方法可以在负极极片即导电基底上可控的制备一层γ-Fe2O3纳米材料，沉积可以在3D结构的负极极片即导电基底上进行，因此制备的γ-Fe2O3纳米材料具有多孔结构。进一步，本专利技术的一种γ-Fe2O3纳米材料的制备方法，通过调节铁离子盐的浓度以及沉积过程中的实验条件，可以控制最终γ-Fe2O3微观形貌，沉积厚度具有可控性。进一步，本专利技术的一种γ-Fe2O3纳米材料的制备方法，具有成本低廉、工艺简单、易扩大生产、操作简单等优点，具有广泛的工业应用前景。进一步的，本专利技术得到γ-Fe2O3纳米材料电化学性能卓越，可用作超级电容器材料。其三维多孔结构对电化学性能的提高有利。其结构能提高活性材料γ-Fe2O3的比表面积，当其用作超级电容器电极材料时，能够更有利于离子在电极和电解液界面上快速的传递，增大其比容量，同时具有卓越的倍率性能和循环性能。附图说明图1是实施例1所得的γ-Fe2O3纳米材料的扫描电镜图。图2是实施例1所得的γ-Fe2O3纳米材料的X射线粉末衍射图。图3是实施例1所得的γ-Fe2O3纳米材料的循环伏安图。图4是实施例2所得的γ-Fe2O3纳米材料的扫描电镜图。图5是实施例2所得的γ-Fe2O3纳米材料的循环性能图。具体实施方式下面通过具体实施例并结合附图对本专利技术进一步阐述，需要说明的是本具体实施例并不构成对本专利技术要求保护范围的限制。所使用的扫描电镜为日立生产的S-3400N扫描电子显微镜；所使用的X射线衍射仪为德国Bruker AXS有限公司生产的D8Advance X射线粉末衍射；所使用的电化学工作站为上海辰华生产的CHI 760D电化学工作站。以上述所得的γ-Fe2O3电极材料为工作电极，以铂电极作为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，组成三电极系统，三电极玻璃电解池中加入1M Na2SO3水溶液作为电解液，分别将工作电极，铂电极对电极及参比电极放入三电极玻璃电解池中，接出相应的测试口，使用上海辰华有限公司生产的CHI 760电化学工作站进行循环伏安测试，采用鳄鱼嘴夹接出。本专利技术的各实施例中所需无水乙醇为分析纯，其他试剂均为化学纯，购买于国药集团上海化学试剂公司。实施例1一种γ-Fe2O3电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：(1)按铁离子盐:有机溶剂为1g:1L的比例，将铁离子盐溶于有机溶剂中得到1g/L铁离子盐溶液；所述的铁离子盐为硝酸铁；所述有机溶剂即为1-甲基-2-吡咯烷酮；(2)取150mL步骤(1)所制备的分散液作为电泳沉积池的电解液；以碳纤维纸为负极极片，不锈钢为正极极片进行电泳沉积，得到有沉积物的负极极片；然后将有沉积物的负极极片置于200℃马弗炉退火2h，最终在负极极片碳纤维纸的表面得到一层γ-Fe2O3材料；上述所用的负极极片碳纤维纸裁剪为2.5×1.5cm2，浸入电解液面积为1.5×1.0cm2；所用的不锈钢正极极片用6#金相砂纸进行打磨，并用去离子水洗净；上述电泳沉积过程中正、负极片间距为15mm，直流电压为60V，回流时间为30min，沉积时间为10min。上述实施例1所得的材料的扫描电镜图如图1所示，从图中1可以看到三维微米孔状结构的纳米颗粒；进一步，将实施例1所得的材料进行X射线粉末衍射，如图2所示，从图中可以分析得出实施例1所得的材料为γ-Fe2O3其晶型良好。进一步，将实施例1所得的材料进行循环伏安性能测试，如图3所示，从图3分析得出在扫描速率为5mV/s时，其比容量为330F/g；此外当扫描速率增大到100mV/s时，CV曲线的形状没有明显的改变，说明电极材料具有卓越的倍率性能。实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维γ‑Fe2O3纳米材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将铁盐和有机溶剂按照质量体积比为0.01：1‑1:1g/L进行混合，得到铁盐分散液；其中：所述有机溶剂选自1‑甲基‑2‑吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丁内酯、丙酮或乙醇中任一种；(2)将步骤(1)所得的铁盐分散液作为电泳沉积的电解液，以相同或者不同材质的导电基底分别作为电泳沉积池的正、负极极片，将电解液加热到回流后，进行电泳沉积；电泳沉积结束后，取负极极片置于马弗炉中退火处理，即在负极极片的表面得到γ‑Fe2O3纳米材料，其中：负极极片具有3D结构。

【技术特征摘要】
1.一种三维γ-Fe2O3纳米材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将铁盐和有机溶剂按照质量体积比为0.01：1-1:1g/L进行混合，得到铁盐分散液；其中：所述有机溶剂选自1-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丁内酯、丙酮或乙醇中任一种；(2)将步骤(1)所得的铁盐分散液作为电泳沉积的电解液，以相同或者不同材质的导电基底分别作为电泳沉积池的正、负极极片，将电解液加热到回流后，进行电泳沉积；电泳沉积结束后，取负极极片置于马弗炉中退火处理，即在负极极片的表面得到γ-Fe2O3纳米材料，其中：负极极片具有3D结构。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铁盐选自九水硝酸铁、六水氯化铁、硫酸铁或醋酸铁中任意一种或两种；铁盐和有机溶剂的质量体积比为0.03：1-1:1g/L。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述导电基底为金属导体基体，非金属导体基体或者两者结合。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属导体基体为铜、铝、镍或不锈钢。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张全生，程素贞，霍孟飞，张道明，张立恒，任桢，
申请(专利权)人：上海应用技术学院，
类型：发明
国别省市：上海;31