一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法技术

一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法，所述制备方法是将无水乙酸钠、柠檬酸钠及三氯化铁置于乙二醇中磁力搅拌，获得铁前驱体悬浊液；将氧化石墨烯超声分散在乙二醇中，制得氧化石墨烯乙二醇悬浊液；将氧化石墨烯乙二醇悬浊液与铁前驱体悬浊液一并置于反应釜中密封，反应后降至室温，再用磁铁分离获得固相样品，然后用去离子水洗涤，真空干燥，制得Fe3O4/石墨烯复合材料。本方法通过充放电过程中产生的法拉第准电容进行储能，避免了石墨烯在充放电过程中发生堆叠，使Fe3O4与石墨烯之间产出协同效应，得到具有良好电容性能的循环稳定性好的电容器负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法，尤其是一种储能用超级电容器电极材料的Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法。
技术介绍
随着能源存储产业的不断发展，电能存储技术在工业生活中发挥越来越重要的作用，各种储能器件在新能源汽车、军用设备、大功率启动电源等电子产品领域的应用越来越广泛。其中，超级电容器以能量密度大、功率密度高、循环寿命长等优点成为应用的热点。随着超级电容器的应用越来越广泛，对于超级电容器性能的要求也逐渐提高。然而，由于其自身比容量的限制，性能的提升遇到了瓶颈，其中电极材料是关键，其性能的好坏直接影响超级电容器性能的优劣。因此，开发优异性能的电极材料对超级电容器性能的提升有重要意义。Fe3O4具有较高的理论比容量、原料资源丰富及对环境无污染等诸多优点，在超级电容器用负极材料领域中具有广阔的应用前景。然而其在充放电过程中结构易破坏且循环稳定性差。制备纳米结构的Fe3O4和构建Fe3O4复合材料可在一定程度上解决上述问题。石墨烯因其具有高的比表面积和优良的导电性能，成为可与Fe3O4复合的最有前景的碳材料之一。有研究指出，与石墨烯复合能够显著提高Fe3O4的循环稳定性，然而由于石墨烯自身在充放电过程中易团聚，难以制备出较为稳定的复合材料。现有的复合材料制备方法主要有共沉淀法及气相沉积法。其中，共沉淀法制备Fe3O4复合材料需要溶液保持精确的pH值，以及在合成过程中温度波动较小，反应条件苛刻。气相沉积法需要的设备较为精密，对合成设备的要求较高，从而大幅提高了生产成本，难以实现工业化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够使Fe3O4在石墨烯表面稳定分散且使石墨烯在充放电过程中不发生团聚的、可作为超级电容器电极材料的、循环稳定性好的Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法如下：一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法，所述制备方法是按下列步骤进行的：1）将无水乙酸钠、无水柠檬酸钠及0.2800g无水三氯化铁，置于30mL的乙二醇中，300转/分磁力搅拌2h，获得铁前驱体悬浊液；2）将氧化石墨烯超声分散在30mL乙二醇中，制得氧化石墨烯乙二醇悬浊液；3）将所述氧化石墨烯乙二醇悬浊液与所述铁前驱体悬浊液一并置于反应釜中密封，并在205℃下反应15-30h后，降至室温，再用磁铁分离获得固相样品，然后用去离子水洗涤，在50℃下真空干燥，制得Fe3O4/石墨烯复合材料。在上述技术方案中，进一步的技术特征如下：所述无水乙酸钠与所述无水三氯化铁的摩尔比是3.5-4.8；所述无水柠檬酸钠与所述无水三氯化铁的摩尔比是0.25-0.35；所述氧化石墨烯与所述无水三氯化铁的质量比是1.4-1.8。所述氧化石墨烯是表面功能化后的氧化石墨烯；所述表面功能化的方法是在所述氧化石墨烯的质量与所述硝酸溶液的体积的对应关系为1g对应20-50mL的条件下，采用浓度为0.1-2.0mol/L的硝酸溶液，在30-60℃下，对所述氧化石墨烯进行表面功能化处理1-5h，并将所得固相样品进行真空干燥，即获得所述氧化石墨烯。本专利技术上述所提供的一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法，通过前驱体溶液中Fe3+与氧化石墨烯表面的含氧官能团之间的作用力来实现Fe3+与氧化石墨烯表面的紧密结合，在形成的悬浊液体系中，具有正电的Fe3+和表面带负电的氧化石墨烯的表面通过相互作用进行组装，得到表面结合有Fe3+的氧化石墨烯材料。在反应釜中，205℃下，Fe3O4会以氧化石墨烯表面的Fe3+为起点，逐渐均匀生长在氧化石墨烯表面。其中，乙二醇起到了溶剂和还原剂的角色，一方面，其为Fe3O4的制备提供了较好的液相环境，另一方面，其可将部分Fe3+还原为Fe2+进而使得Fe3O4生长，还可将氧化石墨烯还原成石墨烯。本专利技术的制备方法巧妙利用了乙二醇作为还原剂，使其得到Fe3O4的同时，在反应体系中将氧化石墨烯原位还原成石墨烯，省去了后续还原的操作。本方法制得的Fe3O4/石墨烯复合材料可作为超级电容器的负极材料，其中的Fe3O4通过充电过程中产生的法拉第准电容进行储能，石墨烯改善Fe3O4的导电性并提供电子传输的通道，Fe3O4形成的片层空间有利于电解液中阴阳离子的迁移，从而能够发挥Fe3O4和石墨烯之间的协同效应，得到具有良好电容性能的超级电容器负极材料。附图说明图1是本专利技术的实施例1的Fe3O4/石墨烯复合材料的XRD图谱。图2是本专利技术的实施例1的Fe3O4/石墨烯复合材料的SEM图像。图3是本专利技术的实施例1的Fe3O4/石墨烯复合材料作为超级电容器负极材料的循环曲线。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更容易理解，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作出进一步的说明。实施例1本实施例的Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法包括如下步骤：1）称取0.4000g氧化石墨烯，置于15.0mL浓度为1.0mol/L的硝酸溶液中，在40℃下，对氧化石墨烯进行表面功能化处理4.5h，并将所得固相样品进行真空干燥，得到功能化后的氧化石墨烯。2）称取0.2800g无水三氯化铁，0.6360g无水乙酸钠及0.1500g无水柠檬酸钠，将其分散于30mL乙二醇中，磁力搅拌2h，获得铁前驱体悬浊液。3）取功能化后的氧化石墨烯0.3950g超声分散在30mL乙二醇中，获得氧化石墨烯乙二醇悬浊液；4）将所述氧化石墨烯乙二醇悬浊液与所述铁前驱体悬浊液一并置于带聚四氟乙烯内衬的自升压反应釜中密封，在205℃反应24h，降至室温，再用磁铁分离获得固相样品，然后用去离子水洗涤，在50℃下真空干燥，即得Fe3O4/石墨烯复合材料。对比例为发表于2017年《燃料化学学报》第三卷的“Fe3O4/RGO复合材料的制备及其电化学性能研究”。对比例中的操作步骤为：1）将30mg氧化石墨烯加入到30mL含有0.33mmol苯膦酸和Fe(NO3)3·9H2O的去离子水中，超声分散均匀。2）加入600mg尿素，并将溶液转移至75mL的水热釜中，180℃反应48h3）将样品放入石英管反应器中，置入在一个大气压下Ar气氛保护下进行迅速升温至500℃，并维持1h，在Ar的保护下降温至室温，收集获得Fe3O4/石墨烯复合材料。对比例中采用的苯膦酸为有毒且有腐蚀性的有机化工原料，且经过水热后又使用了在Ar气氛围中升高至500℃且保温1h的步骤，能耗较大。实施例2本实施例的Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法包括如下步骤：1）称取0.4600g氧化石墨烯，置于20mL浓度为0.5mol/L的硝酸溶液中，在50℃下，对氧化石墨烯进行表面功能化处理5h，并将所得固相样品进行真空干燥，得到功能化后的氧化石墨烯。2）称取0.2800g无水三氯化铁，0.5381g无水乙酸钠及0.1200g无水柠檬酸钠，将其分散于30mL乙二醇中，磁力搅拌2h，获得铁前驱体悬浊液。3）取功能化后的氧化石墨烯0.4500g超声分散在30mL乙二醇中，制得氧化石墨烯乙二醇悬浊液；4）将所述氧化石墨烯乙二醇悬浊液与所述铁前驱体悬浊液一并置于带聚四氟乙烯内衬的自升压反应釜中密封，在205℃反应28h，降至室温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法，所述制备方法是按下列步骤进行的：1）将无水乙酸钠、无水柠檬酸钠及0.2800 g无水三氯化铁，置于30 mL乙二醇中，300转/分磁力搅拌2 h，获得铁前驱体悬浊液；2）将氧化石墨烯超声分散在30 mL乙二醇中，制得氧化石墨烯乙二醇悬浊液；3）将所述氧化石墨烯乙二醇悬浊液与所述铁前驱体悬浊液一并置于反应釜中密封，并在205 ℃下反应15‑30 h后，降至室温，再用磁铁分离获得固相样品，然后用去离子水洗涤，在50 ℃下真空干燥，制得Fe3O4/石墨烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种Fe3O4/石墨烯复合材料的制备方法，所述制备方法是按下列步骤进行的：1）将无水乙酸钠、无水柠檬酸钠及0.2800g无水三氯化铁，置于30mL乙二醇中，300转/分磁力搅拌2h，获得铁前驱体悬浊液；2）将氧化石墨烯超声分散在30mL乙二醇中，制得氧化石墨烯乙二醇悬浊液；3）将所述氧化石墨烯乙二醇悬浊液与所述铁前驱体悬浊液一并置于反应釜中密封，并在205℃下反应15-30h后，降至室温，再用磁铁分离获得固相样品，然后用去离子水洗涤，在50℃下真空干燥，制得Fe3O4/石墨烯复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖俊杰，常丽萍，吕龙飞，鲍卫仁，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14