一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料及其制备方法和应用技术

一种还原石墨烯/α‑Fe2O3超级电容器材料及其制备方法和应用，还原石墨烯/α‑Fe2O3超级电容器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将Fe(NO3)3·9H2O、CTAB、尿素和氧化石墨烯分散液溶解于甲醇溶液中，160~200℃下水热反应8~24 h；(2)将步骤(1)得到的反应产物抽滤，得到固体与硫脲加入到水中，混合均匀后转移至反应釜中，160~200℃下水热反应8~24 h；(3)将步骤（2）得到的产物抽滤，冷冻干燥，然后进行热处理。本发明专利技术公开的超级电容器材料，其工作电极制备简单，在碱性电解液中电化学工作窗口为‑1.05~‑0.3 V，最高比容量可达1296 F/g，是一种理想的负极材料；该发明专利技术克服了超级电容器负极材料比容量较低的缺点，有望解决超级电容器正负极比容量不匹配的问题，具有较高的研究价值。

A Reduced Graphene/alpha-Fe2O3 Supercapacitor Material and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料及其制备方法和应用
本专利技术属于超级电容器材料的制备
，具体涉及一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着我国经济的快速发展，人们的生活水平和消费水平不断得到改善与提高。与此同时，汽车尾气(氮氧化合物和一氧化碳)，工业废气，固体颗粒等给我们赖以生存的空气造成了严重污染，严重影响了人们的正常生活和身体健康，环境问题的解决刻不容缓。因此，开发低成本、高能效的储能器件成为亟待解决的问题。超级电容器，又名电化学电容器，是一种新型的储能器件，具有较高的比容量、高能量密度、良好的使用寿命，可实现快速充放电的特点，这些优点促使其在许多领域得到应用。目前超级电容器关键技术之一是获得一种优秀的电极材料，要求其具有良好的导电性和足够多的反应活性位点来提供高的比容量。通常正极材料具有很高的比容量，而传统的负极材料一直以来背着比容量较低的“黑锅”，因此科技工作者把更多的精力投入在正极材料的研究上，负极材料很大程度上受到“冷落”。负极材料的低容量特点也导致了难以与高容量的正极材料搭配以获得高性能的超级电容器器件。可见有效的制备高性能的负极材料意义之重大。然而氧化铁是一种较为传统的负极材料，其资源丰富，若实现有效的构筑氧化铁纳米材料以及粒径控制，可提供较大的比表面积以产生较多的活性位点，能改善其电化学性能；另外将氧化铁与还原石墨烯复合可以提高电极材料的导电性，实现提高其比容量。因此，构筑具有高性能的还原石墨烯与氧化铁复合材料，在超级电容器领域有着较高的研究价值。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料及其制备方法和应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将0.404~0.606gFe(NO3)3·9H2O、0.05~0.2gCTAB（十六烷基三甲基溴化铵）、0.4~0.8g尿素和20~40mL氧化石墨烯分散液，溶解于30~50mL甲醇溶液（水和甲醇的体积比为1︰4~1︰1）中，160~200℃下水热反应8~24h；(2)将步骤(1)得到的反应产物抽滤，得到固体与0.3~1.0g硫脲加入到30~40mL水中，混合均匀后转移至反应釜中，160~200℃下水热反应8~24h；(3)将步骤（2）得到的产物抽滤，冷冻干燥，然后进行热处理；热处理条件为：在惰性气体气氛保护下，以1.5~2.5℃/min的升温速率升温至170~190℃，并在170~190℃保持30-60min。优选的，所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液浓度为1.5~2.5mg/mL。优选的，所述热处理条件为：在N2气氛保护下，以2℃/min的升温速率升温至180℃，并在180℃保持30min。所述还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料在-1.3V~-0.3V电位下活化后在超级电容器中的应用。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术提供的一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的制备方法所用原料易得，均为工业化产品，价格便宜，制备方法简单，污染小；整个工艺具有良好的安全性，可控性，目标产品收率高，质量好，总成本低，适合工业化生产。制备得到的电极材料中，α-Fe2O3的粒径在20-100nm之间，电极材料的电化学窗口为-1.05~-0.3V，比容量高达1296F/g，很好克服了以往负极材料容量较低的不足，产生高容量的原因主要有两方面，第一、采用三维石墨烯提供较大面积的反应载体，避免传统需要加入乙二醇作为悬浮溶液来制备较小的纳米氧化铁颗粒；采用水与甲醇作为混合溶剂，利用尿素在水中水解来产生氢氧根离子(OH-)，进而与铁离子(Fe3+)水热生成氢氧化铁纳米颗粒；其中，尿素首先分解为氨气，氨气与水和甲醇之间都能形成氢键，遏制了氨气进一步水解成成氢氧根离子的速度，从而能使铁离子与氢氧根离子均匀结合得到较小的纳米颗粒，若向铁离子溶液中加入强碱如NaOH，很容易直接生成氢氧化铁颗粒，不易控制得到较小尺寸的纳米氢氧化铁颗粒。第二、加入硫脲，硫脲产生的H2S进一步水解得到S2-，该离子可与氢氧化铁反应得到Fe2S3(因其Ksp值更小)，Fe2S3不稳定，最终稳定产物为α-Fe2O3，这样一个过程，使得硫化后的氧化铁颗粒表面比未硫化的氢氧化铁纳米颗粒表面有更多的反应活性位点，有利于电解液离子的快速穿梭，从而具有较好的电化学性能；同时，加入硫脲可避免步骤(1)中得到的还原石墨烯与氢氧化铁的复合物需经高温处理才可得到还原石墨烯与氧化铁的复合物的问题，使得复合材料保留较高的比表面积。第三、将电极材料在-1.3V~-0.3V电位下活化大大提高了还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的比容量。为工业化生产高性能超级电容器器件提供了可能，是一种优良的超级电容器负极材料，具有较高的应用价值。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的XRD图；图2为本专利技术实施例1中制备的还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的XPS图；图3为本专利技术实施例1中制备的还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的SEM图；图4为本专利技术实施例1中制备的还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的TEM图；图5为本专利技术实施例1中还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器电极材料的CV图；图6为本专利技术实施例1中还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器电极材料在不同电流密度下的恒电流充放电曲线图；图7为本专利技术实施例1中还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器电极材料的电化学阻抗图；图8为本专利技术实施例4中制备的一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器电极材料的CV图和恒电流充放电曲线图；图9为本专利技术实施例5中制备的一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器电极材料，未加硫脲时得到电极材料的CV图和恒电流充放电曲线图。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行进一步阐述。此外，在阅读了本专利技术讲授内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将0.404gFe(NO3)3·9H2O、0.1gCTAB、0.6g尿素和30mL氧化石墨烯分散液（浓度为2mg/mL），溶解于40mL甲醇溶液（水和甲醇的体积比为3︰4）中，在100mL反应釜内180℃下反应12h；(2)将步骤(1)得到的反应产物抽滤，得到固体与0.6g硫脲加入到35mL水中，混合均匀后转移至反应釜中，180℃下水热反应12h；(3)将步骤（2）得到的产物抽滤，冷冻干燥，然后进行热处理；热处理条件为：在N2气氛保护下，以2℃/min的升温速率升温至180℃，并在180℃保持30min，得到还原石墨烯与α-Fe2O3纳米颗粒复合材料的黑色粉体。其粉体相结构可见XRD图(图1)，由图谱可知该粉末对应的衍射峰分别为24.138º，33.152º，35.611º，40.854º，43.518º，49.479º，54.089º，57.589º，62.449º，63.989º，69.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种还原石墨烯/α‑Fe2O3超级电容器材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1) 将0.404~0.606 g Fe(NO3)3·9H2O、0.05~0.2 g CTAB、0.4~0.8 g 尿素和20~40 mL 氧化石墨烯分散液，溶解于30~50 mL甲醇溶液中，160~200℃下水热反应8~24 h；(2) 将步骤(1)得到的反应产物抽滤，得到固体与0.3~1.0 g 硫脲加入到30~40mL水中，混合均匀后转移至反应釜中，160~200℃下水热反应8~24 h；(3) 将步骤（2）得到的产物抽滤，冷冻干燥，然后进行热处理；热处理条件为：在惰性气体气氛保护下，以1.5~2.5℃/min 的升温速率升温至170~190℃，并在170~190℃保持30‑60 min。

【技术特征摘要】
1.一种还原石墨烯/α-Fe2O3超级电容器材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将0.404~0.606gFe(NO3)3·9H2O、0.05~0.2gCTAB、0.4~0.8g尿素和20~40mL氧化石墨烯分散液，溶解于30~50mL甲醇溶液中，160~200℃下水热反应8~24h；(2)将步骤(1)得到的反应产物抽滤，得到固体与0.3~1.0g硫脲加入到30~40mL水中，混合均匀后转移至反应釜中，160~200℃下水热反应8~24h；(3)将步骤（2）得到的产物抽滤，冷冻干燥，然后进行热处理；热处理条件为：在惰性气体气氛保护下，以1.5~2.5℃/min的升温速率升温至...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯志强，郑光超，吕晓东，熊雪帆，王莹莹，吴娟，刘宁宁，
申请(专利权)人：周口师范学院，
类型：发明
国别省市：河南,41