一种石墨烯修饰的高铁酸盐材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯修饰的高铁酸盐材料及其制备方法和应用，所述方法：制备强酸性氧化石墨，用含有氮甲基吡咯烷酮和无水乙醇的混合液多次清洗，得到中性氧化石墨，用水将中性氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨水分散液；以抗坏血酸为还原剂，在超声辅助的水热条件下将氧化石墨水分散液中的氧化石墨还原成化学还原石墨烯，然后经过抽滤和干燥，得到化学还原石墨烯；将高铁酸盐和化学还原石墨烯乙醇分散液通过共沉积法制得石墨烯修饰的高铁酸盐材料。本发明专利技术通过共沉积法将化学还原石墨烯包覆于高铁酸盐表面，显著提高了高铁酸盐在潮湿环境和饱和KOH溶液中的稳定性，以及与Zn组成的碱性超铁电池在多种情况下的实际放电性能。的碱性超铁电池在多种情况下的实际放电性能。的碱性超铁电池在多种情况下的实际放电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯修饰的高铁酸盐材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于超铁电池
，尤其涉及一种石墨烯修饰的高铁酸盐材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着对绿色化学能源和几乎枯竭的电极材料的需求不断增加，高铁酸盐化合物作为电池阴极材料具有广阔的发展前景。1999年，Litch以高铁酸盐(MFeO4)作为阴极材料代替碱性锌锰电池中MnO2阴极，并且将这种新电池命名为“超铁电池”，MFeO4/Zn电池的放电产物是对环境不会产生污染的ZnO、水和Fe2O3，与碱性MnO2/Zn和铅酸电池相比，MFeO4/Zn电池是一种绿色无污染的可持续能源，被誉为新一代“绿色电池”。然而，尽管高铁酸盐具有潜在优势，但是高铁酸盐受化学性质不稳定的限制。高铁酸盐在水溶液或潮湿环境中非常不稳定，易分解；并且在酸性条件下氧气可以立即释放，在中性或弱碱性溶液中缓慢分解。因高铁酸盐的稳定性不佳，限制了超铁电池的广泛应用。因此提高高铁酸盐电池电化学性能的关键是保持稳定和持续放电。
[0003]为提高高铁酸盐阴极的稳定性，现有技术中有人提出了以氯化锆(ZrCl4)、二氧化锆(ZrO2)、三氧化二钇-二氧化锆(Y2O
3-ZrO2)、酞菁(H2PC)等材料对高铁酸钾(K2FeO4)进行包覆以提高高铁酸钾阴极的放电性能，但这些物质作为包覆材料时，MFeO4/Zn电池的电容量仍存在增加不明显等问题。
[0004]石墨烯是21世纪新兴的碳质材料，因其优异的电学、热学、力学、光学性能等，备受到人们的广泛关注，尤其是在电化学储能领域的应用。目前，氧化石墨烯(GO)与化学还原石墨烯(CRG)已经成功应用在锂离子电池、超级电容器、锂-空气电池中，且取得了不错的成果。然而，目前未见有使用化学还原石墨烯(CRG)来包覆高铁酸盐作为阴极以提高超铁电池的稳定性以及放电性能的相关报道。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种石墨烯修饰的高铁酸盐材料及其制备方法和应用。本专利技术方法以化学还原石墨烯(CRG)作为包覆材料，通过共沉积法包覆于高铁酸盐表面，显著提高了高铁酸盐在潮湿环境和饱和KOH溶液中的稳定性，以及与Zn组成的碱性超铁电池在多种情况下的实际放电性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种石墨烯修饰的高铁酸盐材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0007](1)制备强酸性氧化石墨，用含有氮甲基吡咯烷酮和无水乙醇的混合液多次清洗所述强酸性氧化石墨，得到中性氧化石墨，然后用水将所述中性氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨水分散液；
[0008](2)以抗坏血酸为还原剂，在超声辅助的水热条件下将所述氧化石墨水分散液中的氧化石墨还原成化学还原石墨烯，然后依次经过抽滤和干燥，得到化学还原石墨烯；
[0009](3)用步骤(2)得到的化学还原石墨烯配制化学还原石墨烯乙醇分散液，将高铁酸盐和所述化学还原石墨烯乙醇分散液通过共沉积法制得化学还原石墨烯包覆高铁酸盐的所述石墨烯修饰的高铁酸盐材料。
[0010]优选地，所述高铁酸盐为高铁酸钾、高铁酸钠、高铁酸钡、高铁酸锂、高铁酸铯、高铁酸银、高铁酸锶中的一种或多种；优选的是，所述高铁酸盐为高铁酸钾。
[0011]优选地，在步骤(1)中，所述强酸性氧化石墨与所述混合液中含有的氮甲基吡咯烷酮和无水乙醇的体积比为1:2:4。
[0012]优选地，所述方法进一步还包括：将所述石墨烯修饰的高铁酸盐材料与所述化学还原石墨烯乙醇分散液进行多次共沉积得到具有不同化学还原石墨烯包覆量的石墨烯修饰的高铁酸盐材料的步骤。
[0013]优选地，所述石墨烯修饰的高铁酸盐材料中含有的高铁酸盐与还原石墨烯的质量比为100：(0.8～5.2)。
[0014]优选地，所述氧化石墨水分散液中含有的氧化石墨的浓度为0.05～0.2mg/L。
[0015]优选地，所述化学还原石墨烯乙醇分散液中含有的化学还原石墨烯的浓度为0.05～0.12mg/mL。
[0016]优选地，所述水热温度为24～60℃。
[0017]本专利技术在第二方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的石墨烯修饰的高铁酸盐材料。
[0018]本专利技术在第三方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的石墨烯修饰的高铁酸盐材料作为阴极材料在超铁电池中的应用。
[0019]本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0020](1)本专利技术方法创新性地利用氮甲基吡咯烷酮(NMP)和无水乙醇的混合液清洗强酸性氧化石墨，经过6-7次清洗就可以将pH不大于1的氧化石墨转化成中性，有效地提高了制备中性氧化石墨的效率。
[0021](2)本专利技术方法以化学还原石墨烯(CRG)作为包覆材料，通过共沉积法包覆于高铁酸盐表面，显著提高了高铁酸盐在潮湿环境和饱和KOH溶液中的稳定性，以及与Zn组成的碱性超铁电池在多种情况下的实际放电性能。
[0022](3)本专利技术制得的石墨烯修饰的高铁酸盐材料在60天后，潮湿环境中CRG包覆型K2FeO4(5次)的纯度为46.7％，比未包覆K2FeO4高出33.9％；饱和KOH溶液中CRG包覆型K2FeO4(5次)的纯度为75.9％，比未包覆K2FeO4高出25.6％；本专利技术制得的石墨烯修饰的高铁酸盐材料作为超铁电池阴极材料应用时，CRG包覆型K2FeO4(5次)与Zn组成的碱性高铁电池在1775Ω下的实际电容量和活性成分利用率比K2FeO4分别高出比率为22.9％和22.8％，较MnO2分别高出比率为33.4％和15.9％。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例1中的中性氧化石墨(GO)和化学还原石墨烯(CRG)的红外谱图(FTIR谱图)。图中a为CRG的FTIR谱图，图中b为GO的FTIR谱图。
[0024]图2是本专利技术实施例1中的中性氧化石墨(GO)和化学还原石墨烯(CRG)的X射线光电子能谱图(XPS谱图)。图中a为GO的XPS谱图，图中b为CRG的XPS谱图。
[0025]图3是本专利技术实施例1中的石墨粉、中性氧化石墨(GO)和化学还原石墨烯(CRG)的X射线衍射谱图(XRD谱图)。图中a为CRG的XRD谱图，图中b为GO的XRD谱图，图中c为石墨粉的XRD谱图。
[0026]图4是本专利技术实施例1中的K2FeO4和CRG包覆型K2FeO4(3次)的照片和SEM图。图中a和c分别表示K2FeO4的照片和SEM图，图中b和d分别表示CRG包覆型K2FeO4(3次)的照片和SEM图。
[0027]图5是本专利技术实施例2中的K2FeO4和CRG包覆型K2FeO4(3次)在不同环境中的纯度随时间的变化曲线图。图中a表示K2FeO4+干燥空气，b表示CRG包覆型K2FeO4(3次)+饱和KOH溶液，c表示K2FeO4+饱和KOH溶液，d表示CRG包覆型K2FeO4(3次)+潮湿空气，e表示K2FeO4+潮湿空气下的纯度随时间的变化曲线。图中，横坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯修饰的高铁酸盐材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)制备强酸性氧化石墨，用含有氮甲基吡咯烷酮和无水乙醇的混合液多次清洗所述强酸性氧化石墨，得到中性氧化石墨，然后用水将所述中性氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨水分散液；(2)以抗坏血酸为还原剂，在超声辅助的水热条件下将所述氧化石墨水分散液中的氧化石墨还原成化学还原石墨烯，然后依次经过抽滤和干燥，得到化学还原石墨烯；(3)用步骤(2)得到的化学还原石墨烯配制化学还原石墨烯乙醇分散液，将高铁酸盐和所述化学还原石墨烯乙醇分散液通过共沉积法制得化学还原石墨烯包覆高铁酸盐的所述石墨烯修饰的高铁酸盐材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高铁酸盐为高铁酸钾、高铁酸钠、高铁酸钡、高铁酸锂、高铁酸铯、高铁酸银、高铁酸锶中的一种或多种；优选的是，所述高铁酸盐为高铁酸钾。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述强酸性氧化石墨与所述混合液中含有的氮甲基吡咯烷酮和无水乙醇的体积比为1:2:4。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝辉，朱凌岳，于登宇，汪洪溟，苑丹丹，闫超，吴红军，
申请(专利权)人：王宝辉，
类型：发明
国别省市：