一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种多壳层中空微球形α‑Fe2O3材料、制备方法及其应用，它包括以下步骤：(a)将葡萄糖溶于水中形成第一溶液；(b)将尿素和无机铁盐溶于水中形成第二溶液；(c)将第一溶液与第二溶液进行混合，随后转移至反应釜中进行水热反应，过滤得α‑Fe2O3前驱体；(d)将所述α‑Fe2O3前驱体置于炉中进行煅烧，收集产物即可。从而保证了碳微球的形成和多壳中空结构，否则Fe3+离子和葡萄糖只会获得二维纳米片，没有多壳结构；它用作负极材料显示出高达878.2mAhg‑1的高特殊容量，并表现出优异的循环能力和倍率性能；该方法简单、易行，可扩展至两种不同的金属离子体系，形成双金属元素的多壳中空结构。

【技术实现步骤摘要】
一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料、制备方法及其应用
本专利技术属于纳米材料领域，涉及一种α-Fe2O3，具体涉及一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料、制备方法及其应用。
技术介绍
锂离子电池作为一种最具发展前景和发展最快的二次能储设备拥有诸多优点，例如，高的工作电压，高的比能量，长的循环寿命，低的自放电率，无记忆效应和绿色环保等等，近年来，其在电子设备中的也得到了越来越广泛的应用，在日益生活中起到了愈加重要的作用。正极和负极材料材料是构成锂离子电池重要的组成部分，正负极材料的性能也直接影响锂离子电池的各项性能指标，目前商用的正极材料比较多元化，有钴酸锂，锰酸锂，磷酸铁锂和一些三元材料等，而负极材料一般是石墨类物质，相对单一，因此发展一种高性能的负极材料提高锂离子电池性能，尤其对动力性锂离子电池的开发具有重要的意义。过渡金属氧化物是最近被广泛研究的负极材料，因其相较于石墨类物质来说拥有更高的理论容量，更广泛的应用型。而通过设计和合成不同结构的过渡金属氧化物类物质能使其具有更多优点，例如，好的循环稳定性，低成本，环境无害等等。其中，氧化铁因为具有较高的理论容量，在地壳中含量丰富，成本低等优势而备受关注。但是由于在锂离子电池工作过程中，随着锂离子在正负极材料晶格中来回的嵌入和嵌出会使得材料的体积膨胀，这里的体积膨胀可以达到300％，久而久之导致材料的破坏和粉化，造成负极材料和集流体的分离，而导致锂离子电池的容量衰减，寿命变短。为了解决这个问题，很多不同结构的金属氧化物被设计出来，通过独特的结构来提高金属氧化物的电化学性能，是目前锂离子电池研究的热点之一。例如，纳米颗粒、纳米片、纳米管、中空类的结构都有被深入研究，其中中空类结构的金属氧化物在作为锂离子电池负极材料时体现出了更佳的性能，主要因为其较大的内部空间所带来的结构优势，一方面他们能够很好的缓解锂离子嵌入和嵌出过程中引起的大的体积改变，另一方面缩短了锂离子和电子的传输距离在动力学上优化锂离子的扩散途径从而提高充放电速率，除此之外，中空结构所具有的大的比表面积提供了更多的锂存储位点，增大活性材料与电解液之间的接触，提高锂离子电池的容量。目前已经有些研究单位制备出了中空球形结构的金属氧化物用作锂离子电池负极材料并且表现出了优异的电化学性能和循环稳定性；但是其制备方法步骤复杂且条件苛刻。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有技术的不足而提供一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料、制备方法及其应用。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的制备方法，它包括以下步骤：(a)将有机糖溶于水中形成第一溶液；(b)将尿素和无机铁盐溶于水中形成第二溶液，所述有机糖、尿素和无机铁盐的摩尔比为0.01～0.03：3.3×10-3～8.3×10-3：3.0×10-4～4.0×10-4；(c)将第一溶液与第二溶液进行混合，随后转移至反应釜中进行水热反应，过滤得α-Fe2O3前驱体；(d)将所述α-Fe2O3前驱体置于炉中进行煅烧，收集产物即可；上述有机糖为葡萄糖、蔗糖或乳糖等常规的单糖或多糖；无机铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁等常规的。优化地，步骤(c)中，所述水热反应的温度为120～180℃、反应时间为10～30小时。进一步地，步骤(c)中，过滤后用低沸点溶剂冲洗多次，烘干后得α-Fe2O3前驱体。优化地，步骤(c)中，所述煅烧温度为400～600℃、煅烧时间为3～8小时。进一步地，步骤(c)中，将所述α-Fe2O3前驱体置于带盖的陶瓷坩埚中，以1～3℃/min的速度升温至煅烧温度；且在煅烧结束后自然冷却至室温。本专利技术的又一目的在于提供一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料，它由上述任一种方法制得。本专利技术的再一目的在于提供一种上述多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的应用，将所述多壳层中空微球形α-Fe2O3材料用作锂离子电池负极的活性材料。优化地，将所述多壳层中空微球形α-Fe2O3材料、导电剂和粘结剂混合并制成浆料，随后涂布至箔片上干燥制得负极极片。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的制备方法，通过引入具有更强离子配位能力的尿素，从而保证了碳微球的形成和多壳中空结构，否则Fe3+离子和葡萄糖只会获得二维纳米片，没有多壳结构；它用作负极材料显示出高达878.2mAhg-1的高特殊容量，并表现出优异的循环能力和倍率性能；该方法简单、易行，可扩展至两种不同的金属离子体系，形成双金属元素的多壳中空结构。附图说明图1为本专利技术多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的合成机理图；图2为本专利技术不同实施例中的α-Fe2O3材料的透射电镜图(标尺为1μm)：(a)对比例1中的α-Fe2O3材料；(b)实施例1中的α-Fe2O3材料；图3为实施例1中多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的测试图：(a)扫描电镜图；(b)透射电镜图(标尺为2μm)；(c)高倍率透射电镜图；(d)高分辨透射电镜图；(e)选区电子衍射图；(f)单个中空多壳球形α-Fe2O3的线扫及元素映射图；图4为实施例1中多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的XRD图谱；图5为实施例1中多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的X-射线光电子能图谱：(a)Fe2p；(b)O1s；图6为实施例1中多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的N2等温吸附-脱附曲线(内插图是利用BJF方式计算的孔径大小分布图)；图7为实施例1中多壳层中空微球形α-Fe2O3材料制得的负极片循环伏安曲线图(扫描速率为0.2mVs-1)；图8为实施例1中多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的电化学性能：(a)在500mAg-1电流密度下前三个循环的充放电曲线；(b)倍率性能；(c)循环稳定性测试图，电流密度为500mAg-1；图9为实施例2中多壳层中空微球形SnFe2O5材料的测试图：(a)扫描电镜图；(b)透射电镜图；(c)单个中空多壳球形SnFe2O5的元素映射图。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术进行进一步说明。实施例1本实施例提供一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的制备方法，它包括以下步骤：(a)称取3.6g葡萄糖溶解在40ml超纯水中，搅拌至其完全溶解得第一溶液；(b)称取0.376g尿素和0.096gFeCl3·6H2O溶解在12ml超纯水中，不停的搅拌至完全溶解得第二溶液；(c)将第一溶液和第二溶液进行混合，并搅拌15min使其混合均匀；转移上述混合液至聚四氟乙烯反应釜内衬中，密封反应釜并将其放入烘箱中160℃进行20h的水热反应；水热反应结束后，冷却至室温，将反应釜内的产物过滤收集，用乙醇冲洗2～3遍，再干燥得到α-Fe2O3前驱体；(d)将得到的α-Fe2O3前驱体置于带盖的陶瓷坩埚中，再将坩埚转移至管式炉内以1℃/min的速率升温至500℃并保温5h，冷却至室温后收集产物(其透射电镜图如图2(b)所示，其它测得的图如图3所示)。图3(a)和图3(b)分别是在500℃煅烧得到的α-Fe2O3样品的低倍率扫面电镜和透射电镜图，从图中可以看出本实施例中合成了形貌均一的三壳层中空球形结构的α-Fe2O3，其单个直径均不大于3μm；图3(c)的单个球形结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多壳层中空微球形α‑Fe2O3材料的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：(a)将有机糖溶于水中形成第一溶液；(b)将尿素和无机铁盐溶于水中形成第二溶液，所述有机糖、尿素和无机铁盐的摩尔比为0.01～0.03：3.3×10‑3～8.3×10‑3：3.0×10‑4～4.0×10‑4；(c)将第一溶液与第二溶液进行混合，随后转移至反应釜中进行水热反应，过滤得α‑Fe2O3前驱体；(d)将所述α‑Fe2O3前驱体置于炉中进行煅烧，收集产物即可。

【技术特征摘要】
1.一种多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：(a)将有机糖溶于水中形成第一溶液；(b)将尿素和无机铁盐溶于水中形成第二溶液，所述有机糖、尿素和无机铁盐的摩尔比为0.01～0.03：3.3×10-3～8.3×10-3：3.0×10-4～4.0×10-4；(c)将第一溶液与第二溶液进行混合，随后转移至反应釜中进行水热反应，过滤得α-Fe2O3前驱体；(d)将所述α-Fe2O3前驱体置于炉中进行煅烧，收集产物即可。2.根据权利要求1所述多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，所述水热反应的温度为120～180℃、反应时间为10～30小时。3.根据权利要求2所述多壳层中空微球形α-Fe2O3材料的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，过滤后用低沸点溶剂冲洗多次，烘干后得α-Fe2O3前驱体。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：江林，张婷妹，郑建忠，梁志强，孙迎辉，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32