本发明专利技术α-Fe2O3多层中空纳米球状结构、制备方法及用途涉及α-Fe2O3中空纳米结构，特别涉及由α-Fe2O3纳米聚集体组装而成的α-Fe2O3中空纳米球状结构，其直径为900nm～5μm，壁厚为100～500nm，层数为两层或两层以上。α-Fe2O3聚集体为由α-Fe2O3纳米粒子聚集而成的纺锤状组装体。其直径为50～200nm，长度为200～500nm。α-Fe2O3中空纳米结构的制备方法为将铁盐与甘氨酸混合，在120～200℃乙醇-水热条件下反应6～12h。所述α-Fe2O3中空纳米结构可用于锂离子电池的电极材料，显示出优异的锂离子电池性能及极好的倍率性能，拥有超高的放电比容量及良好的循环稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术α-Fe2O3多层中空纳米球状结构、制备方法及用途涉及α-Fe2O3中空纳米结构，特别涉及由α-Fe2O3纳米聚集体组装而成的多层中空球状结构、其制备方法及在锂离子电池电极上的应用。
技术介绍
当前，可充电锂离子电池(LIBs)不仅是便携式电子设备的主要能源，同时也是电动或混合动力性电动交通工具供电能源的最佳选择。寻找一种安全的、具有高电极电势及高放电比容量的锂离子电池电极材料是实现锂离子电池应用于电动交通工具的关键因素。与其它过渡金属氧化物相比，氧化铁不仅容易制得，对环境无害，而且拥有较高的理论比容量(800～1000mAhg-1)。然而，与其他的过渡金属氧化物类似，氧化铁电极材料的体积效应及固有的动力学因素造成其较差的循环稳定性和倍率性能，制约了其实际应用。在嵌入锂离子或释放锂离子的过程中，活性电极材料的收缩或膨胀造成电极材料的粉碎，破坏了活性材料的结构，限制了电子与集流器的接触，从而使电池在短时间内迅速达到截止电压，导致比容量迅速衰减，循环稳定性较差。为了克服这个缺点，通过控制氧化铁的尺寸、形貌及结构，设计、调控合成出具有特殊结构的氧化铁纳米材料，有可能提高其电化学性能。本专利技术首次提出了一种简单方便的方法，在混合溶剂热条件下成功得到了多层中空α-Fe2O3纳米球状结构。这种纳米结构作为锂离子电池的电极材料，显示出优异的锂离子电池性能及极好的倍率性能，拥有超高的放电比容量及良好的循环稳定性(电流密度为100mA·g-1时，循环300圈后仍具有约1970mAh·g-1的放电比容量)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种由α-Fe2O3纳米聚集体组装而成的多层中空球状结构的纳米材料，并提供了有效的制备方法。本专利技术的另一个目的是将上述多层α-Fe2O3中空纳米球状结构材料，用于锂离子电池的电极材料。所述多层α-Fe2O3中空纳米球状结构为由α-Fe2O3纳米聚集体组装而成的球状结构。其直径为900nm～5μm，壁厚为100～500nm，层数为两层或两层以上。所述α-Fe2O3聚集体为由α-Fe2O3纳米粒子聚集而成的纺锤状组装体。其直径为50～200nm，长度为200～500nm。所述的多层α-Fe2O3中空纳米球状结构的制备方法：铁盐与甘氨酸共存时，在120～200℃乙醇-水热条件下反应6～36h。所述的多层α-Fe2O3中空纳米球状结构的优选制备方法：a)将铁盐与甘氨酸在水和乙醇的混合溶液中混合，使铁盐/甘氨酸质量比在0.8-3.2之间；b)将上述混合溶液倒入高压釜(耐压密闭容器)中，关闭高压釜，加热至140-180度并保持10-24小时，然后冷却到室温，收集固体产物，洗涤后干燥，该固体产物即为本专利技术中的多层α-Fe2O3中空纳米结构。所述的多层α-Fe2O3中空纳米结构可用于锂离子电池的电极材料。本专利技术中的α-Fe2O3中空纳米结构，按如下方法制备：a)将铁盐与甘氨酸在水和乙醇的混合溶液中混合，使铁盐/甘氨酸质量比在0.8-3.2之间；b)将上述混合溶液倒入高压釜(耐压密闭容器)中，关闭高压釜，加热至120-200度并保持6-36小时，然后冷却到室温，收集固体产物，洗涤后干燥，该固体产物即为本专利技术中的多层α-Fe2O3中空纳米结构。本专利技术采用铁盐和甘氨酸为反应物，在乙醇-水混合溶剂热条件下可以获得这种新颖的多层α-Fe2O3中空纳米结构，实验参数(例如：浓度、摩尔比、反应温度和时间)在一定范围内改变都不会改变产物的中空形貌，但是会在一定程度上影响其球体尺寸、核壳厚度和产率高低。图1、图2和图3显示了0.16g水合氯化铁和0.1g甘氨酸在2ml蒸馏水与18ml乙醇混合液中，160度水热/溶剂热条件下反应12小时所得产物的扫描电镜照片。从低倍扫描电镜照片(图1a，1b)中可以看出样品是直径约为3μm的球形胶体结构。α-Fe2O3结构的壳层是由直径约为500nm的纳米盘组装形成。与以往报道过的胶体结构不同的是，本专利技术中的α-Fe2O3胶体结构是多层的核壳胶体结构，这个可以从破碎的球体中观察到。图2a展示了一个完整的核壳结构，图2b和2c分别是核壳结构中核及壳层部分的放大的扫描电镜照片。从图2b中可以看出核壳结构的核也是由直径约为150nm的纳米盘组装形成。与此同时，图2b和2c清晰地展示出纳米盘是由纳米颗粒组装形成。核壳胶体结构可以进一步通过图3a和3b中的透射电镜照片证明。图3b中的内附图是样品的高倍透射电镜照片，可以清晰看出样品的晶格条纹。晶格条纹测量结果表明0.368nm和0.267nm分别对应于(012)和(01-4)晶面。高倍透射电镜照片表明样品具有良好的结晶度，这与图4中的X射线粉末衍射(XRD)分析结果相吻合。XRD分析表明，所有的衍射峰都与六方相的α-Fe2O3(标准卡片为33-0664)相对应，无其他杂相存在，表明核壳结构的核及壳都是结晶良好的六方相的α-Fe2O3。多级组装的多层α-Fe2O3中空结构表现出优异的锂电性能。图5a是在0.01～3V的电压范围内，扫速为0.05mV·s-1时样品的循环伏安曲线(CVs)。从图中可以看到，在约0.75V处观察到的峰对应于Li+嵌入α-Fe2O3胶体及Li2O的形成。在接下来的几圈循环中，0.75V处的峰显著降低，表明初始电极反应具有不可逆性。图5b是在电压范围为0.01～3V内，电流密度为0.4A·g-1时样品的充放电曲线图。由图可见，在约0.75V处出现一个显著的放电平台，这与CV曲线分析结果相吻合，表明电极反应遵循以下反应过程：在电流密度为0.4A·g-1时，α-Fe2O3多层中空结构展现出1492.7mAh·g-1的初始放电比容量及高达1061.6mAh·g-1的初始充电比容量。在第二圈的循环中，展现出1116.7mAh·g-1的放电比容量及1074.8mAh·g-1的初始充电比容量，库伦效率为74.8％。起始数圈所观察到的容量衰减可能是由于Li+被禁锢于Fe2O3晶格中，随后随着循环的进行逐渐被释放出来，因此在比容量随之上升。图5c是在电流密度为0.4A·g-1时样品的循环稳定性曲线。图中可以看出，在前十圈容量缓慢下降后，在接下来的45圈保持相对平稳，从第55圈容量开始上升。循环至180圈时，样品仍具有1437.2mAh·g-1的放电比容量，表明了样品具有惊人的循环稳定性。接下来的50圈(188-237)是在电流密度为0.1A·g-1下的循环稳定性曲线(图5c中内置图)，从图中可以看出曲线上升到一个新高度，放电比容量高达1791.2mAh·g-1，并且仍处本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种α‑Fe2O3中空纳米结构，其特征在于：所述α‑Fe2O3中空纳米结构为由α‑Fe2O3纳米聚集体组装而成的多层中空球状结构。
【技术特征摘要】
1.一种α-Fe2O3中空纳米结构，其特征在于：所述α-Fe2O3中空纳米结构为由α-Fe2O3纳米
聚集体组装而成的多层中空球状结构。
2.如权利要求1所述的α-Fe2O3中空纳米结构，其特征在于：所述多层中空球状结构的直
径为900nm～5μm，壁厚为100～500nm，层数为两层。
3.如权利要求1所述的α-Fe2O3中空纳米结构，其特征在于：所述α-Fe2O3聚集体为由α-
Fe2O3纳米粒子聚集而成的纺锤状组装，其直径为50～200nm，长度为200～500nm。
4.一种权利要求1所述的α-Fe2O3中空纳米结构的制备方法：其特征在于将铁盐与甘氨
酸共存时，在...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆轻铱，高峰，党丽赟，马海凤，徐加应，金盈，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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