一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用制造技术

本发明专利技术涉及一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用，复合材料的制备方法包括以下步骤：1)将亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合，之后加入水，得到混合溶液；2)将氯化铁加入至混合溶液中，之后进行水热反应，得到气凝胶；3)将气凝胶洗涤、干燥后，进行高温碳化即可；该复合材料用于锂离子电池负极材料。与现有技术相比，本发明专利技术原料具有可设计性，成本低廉，且通过高温煅烧碳化的方法制备石墨烯基氧化铁复合材料，煅烧过程中石墨烯三维结构的组装与氧化铁在石墨烯骨架中能够完美融合，方法简便；制备出的石墨烯基氧化铁复合材料具有高的可逆容量，非常好的循环稳定性和倍率性能，在可充电电池领域具有广泛的应用前景。

A three-dimensional graphene based iron oxide composite and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用
本专利技术属于材料科学和电化学
，涉及一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用。
技术介绍
高性能锂离子电池(LIBs)具有功率密度大、能量密度大、循环寿命长等特点，是发展便携式电子设备快速升级、电动汽车、电网储能等大规模应用的关键。然而，目前商业化的锂电池主要采用石墨作为负极，容量低(372mAh/g)，速率性能较差，无法满足这一需求。因此，金属氧化物和金属硫化物等高容量负极材料的开发受到了极大的重视。开发具有高容量、长寿命和优异倍率性能的负极材料是目前的研究锂离子电池工作的当务之急。其中，以Fe2O3为代表的金属氧化物因其理论容量大、自然丰度大、环境友好性好而受到广泛关注。然而，金属氧化物作为锂离子电池的负极材料存在一些普遍的问题，并在很大程度上影响了锂离子电池的电化学性能。例如其导电性差，不利于金属氧化物中Li+插入/脱插入反应的充分、快速电化学。电化学反应过程中体积膨胀和收缩过大，导致金属氧化物粉碎化和聚集，循环寿命较短，活性金属氧化物的利用率较低等。因此，为了获得理想的电化学性能，需要对金属氧化物和整个电极进行优化设计。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料及其制备与应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：1)将亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合，之后加入水，得到混合溶液；2)将氯化铁加入至混合溶液中，之后进行水热反应，得到气凝胶；3)将气凝胶洗涤、干燥后，进行高温碳化，即得到所述的复合材料。进一步地，步骤1)中，所述的亚铁氰化钾溶液的浓度为0.4-0.6mol/L，所述的氧化石墨烯溶液的浓度为1.5-2.5mg/mL。亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合后加入水，既能够使混合溶液达到合适的浓度配比，又能够使混合溶液可以更好地分散均匀。进一步地，步骤1)中，所述的亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:(5-8)，所述的水与氧化石墨烯溶液的体积比为(0.8-1.2):1。进一步地，步骤2)中，每100mL混合溶液中加入5-10g氯化铁。进一步地，步骤2)中，所述的水热反应过程中，温度为180-220℃，时间为12-24h。进一步地，步骤3)中，所述的洗涤过程为：将气凝胶在水中浸泡洗涤；所述的干燥为冻干。进一步地，步骤3)中，所述的高温碳化过程中，温度为250-300℃，时间为3-4h。进一步地，步骤3)中，所述的高温碳化过程在空气氛围中进行。一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料，该复合材料采用所述的方法制备而成。一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的应用，所述的复合材料用于锂离子电池负极材料。石墨烯是一种优越的二维导电材料，可作为衬底负载金属氧化物提高电子传递，防止聚合，也可以进一步改造为独立的三维(3D)多孔结构促进电子和离子扩散在整个电极。这些特性使得石墨烯既可以作为性能优异的主体负极材料，也可以与活性负极材料进行复合，通过协同作用将有效提高电极材料的电化学性能，在锂电电极材料中具有非常广泛的应用前景。另一方面，利用二维石墨烯进行三维组装后得到复合材料，可以极大提高复合材料与电解液的接触，有利于进一步提高材料的电化学性能。本专利技术提供了一种三维结构的石墨烯基氧化铁(3DG/Fe2O3)复合材料的制备方法，通过将3DG/普鲁士蓝(PB)转化为3DG/Fe2O3气凝胶，而多孔的Fe2O3可以很好地封装在石墨烯骨架中。分层结构提供了高度互穿的多孔导电网络，石墨烯与多孔Fe2O3之间的紧密接触，以及丰富的应力缓冲纳米空间，在电化学过程中有效的电荷传输和稳健的结构稳定性，通过此方法得到的三维石墨烯氧化铁负极材料，具有工艺简单，条件温和，成本低廉等优点。本专利技术所制备的三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料作为锂离子电池负极显示了优异的电化学性能，在100mA·g-1的充放电流下，容量可达到800mAh·g-1，在5A·g-1下容量为121mAh·g-1的优异的倍率性能。该方法为石墨烯-金属氧化物材料在电化学领域的研究和应用提供了很好的实验数据和理论支持，本专利技术这种利用石墨烯进行三维组装方法的建立也将为构筑其它高性能的三维石墨烯为基础的新型复合材料开辟新的设计思路，对于高性能锂离子电池电极开发和实际应用拓展具有深远的意义。本专利技术在制备石墨烯基普鲁士蓝复合材料时，采用水热反应的方式，不仅由于水热法操作简单，并且水热法还原石墨烯更加彻底，与加入还原剂还原石墨烯的方式相比效果更好。水热反应采用一锅法，石墨烯会凝结成块，方可省去离心步骤，操作快捷简单。与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：1)本专利技术以石墨烯为碳源、铁的金属氧化物作为活性组分制备复合材料，原料具有可设计性，成本低廉，且通过高温煅烧碳化的方法制备石墨烯基氧化铁复合材料，煅烧过程中石墨烯三维结构的组装与氧化铁在石墨烯骨架中能够完美融合，方法简便；2)本专利技术制备出的石墨烯基氧化铁复合材料具有高的可逆容量，非常好的循环稳定性和倍率性能，在可充电电池领域具有广泛的应用前景。附图说明图1为实施例1中制得的三维石墨烯基氧化铁复合材料的XRD图；图2为实施例1中制得的三维石墨烯基氧化铁复合材料的SEM图；图3为实施例1中制得的三维石墨烯基氧化铁复合材料和对比例1中制得的氧化铁材料分别作为锂离子电池负极材料的循环性能图；图4为实施例1中制得的三维石墨烯基氧化铁复合材料和对比例1中制得的氧化铁材料分别作为锂离子电池负极材料的倍率性能图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1：三维石墨烯基氧化铁复合材料的制备过程如下：第一步、制备石墨烯基普鲁士蓝复合材料：(1)将2.25mL的浓度0.5M的亚铁氰化钾溶解到15mL的浓度为2mg/mL的氧化石墨烯溶液当中；(2)在溶液中加入15mL去离子水，接着向溶液中加入2.7g氯化铁，将其搅拌均匀；(3)将溶液倒入反应釜玻璃内衬中，在温度为180-220℃下水热反应12-24小时，将得到的气凝胶在去离子水中浸泡洗涤。第二步、制备三维石墨烯基氧化铁复合材料：(1)将得到的气凝胶材料放入到管式炉中，在空气气氛围中进行高温碳化，温度250-300℃保持3-4小时，最终得到三维石墨烯基氧化铁复合材料，该三维石墨烯基氧化铁复合材料的XRD图和SEM图分别如图1、图2所示。图2中，(a)中可以明显看出加入石墨烯为复合材料带来的三维结构，(b)中可以明显看到在高倍下三维结构中的Fe2O3活性因子。由图1、图2可以看出，复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n1)将亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合，之后加入水，得到混合溶液；/n2)将氯化铁加入至混合溶液中，之后进行水热反应，得到气凝胶；/n3)将气凝胶洗涤、干燥后，进行高温碳化，即得到所述的复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液混合，之后加入水，得到混合溶液；
2)将氯化铁加入至混合溶液中，之后进行水热反应，得到气凝胶；
3)将气凝胶洗涤、干燥后，进行高温碳化，即得到所述的复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的亚铁氰化钾溶液的浓度为0.4-0.6mol/L，所述的氧化石墨烯溶液的浓度为1.5-2.5mg/mL。


3.根据权利要求1所述的一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的亚铁氰化钾溶液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:(5-8)，所述的水与氧化石墨烯溶液的体积比为(0.8-1.2):1。


4.根据权利要求1所述的一种三维结构的石墨烯基氧化铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，每100mL混合溶液中加入5-10g氯化铁。


5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩生，马健，黄燕山，常宾，高丽，李原婷，胡晓敏，王露露，刘顺昌，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31