[发明专利]一种三氧化二铁纳米片/石墨烯电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种三氧化二铁纳米片/石墨烯电极材料的制备方法。以七水合硫亚铁和石墨烯分散液为初始反应物，通过控制沉淀剂的添加速率控制金属氧化物的尺寸；加入双氧水控制铁离子的价态，并对氧化石墨烯进行刻蚀。将上述混合物倒入聚四氟乙烯高压反应釜内，反应生成三氧化二铁纳米片/石墨烯。本方法中，双氧水的加入可在石墨烯表面刻蚀出纳米尺寸的介孔，增加比表面积;三氧化二铁呈现少层二维纳米片的形貌，极大地提高了材料的电荷传输效率、与基体材料的键合作用；三氧化二铁纳米片层均匀生长于石墨烯表面，极大改善了材料的导电性，抑制充放电过程中金属氧化物的体积变化。本方法使三氧化二铁纳米片/石墨烯复合材料克服了铁氧化物负载量低、循环性能差的致命缺点，具有突出的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种三氧化二铁纳米片/石墨烯电极材料的制备方法，本发明以七水合硫亚铁和石墨烯分散液为初始反应物，通过控制沉淀剂的添加速率得到不同尺寸的三氧化二铁；然后水热反应生成三氧化二铁纳米片/石墨烯。属于纳米材料技术领域。

背景技术

超级电容器因其具有高能量密度、功率密度，长循环寿命等优点，是最有希望应用于电子设备及混合动力汽车的储能装置之一，其中非对称超级电容器因其电压窗口大、可精确匹配正极与负极材料、高能量密度和功率密度而广泛受到研究者的关注，而决定超级电容器性能最重要的因素是电极材料。

最近，铁系材料作为超级电容器的负极材料受到了人们广泛关注，包括铁的氧化物、氢氧化物，铁酸盐等。尤其是三氧化二铁具有理论容量高，电压窗口易于匹配正极材料、价态丰富，丰产，环境友好等优势，但也面临着比表面积小、电导率低、结构不稳等致命缺点，进而导致电容器倍率、循环、负载量等性能差，限制了其作为电极材料在实际生产中的应用。近年来，人们主要从以下四个方面对铁系电极材料进行改善：（1）形貌，合成了从微米级到纳米级不等的粒子、棒状、带状等结构。（2）成分，通过与石墨烯、碳纳米管等碳材料或导电聚合物材料复合提高导电性和结构稳定性。（3）结晶性，通过控制晶体的生长过程降低结晶度，并提高结构稳定性。（4）缺陷，通过掺杂氮、硫等元素或调控氧空位来改善材料性能。我们合成了一种三氧化二铁纳米片结构，均匀负载于石墨烯表面，大大改善了材料的导电性、电荷传输效率、结构稳定性，所以在负载量和循环性能方面取得了突破性进展。以该复合物为负极材料应用于超级电容器，在1A/g的电流密度下，容量达到1260F/g；在10A/g的电流密度下，负载量到8.0mg/cm²时，容量仍可以保持75%。以钴酸镍为正极电极材料组装非对称超级电容器器件，在5A/g的电流密度下，循环30000圈，仍然可以保持98%以上的容量，使铁氧化物电极材料的实际应用成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三氧化二铁纳米片/石墨烯复合电极材料的制备方法。

本发明以七水合硫亚铁和石墨烯分散液为初始反应物，通过控制沉淀剂的添加速率得到不同尺寸的的三氧化铁；加入双氧水控制铁离子的价态，并对氧化石墨烯进行一定程度的刻蚀，提高比表面积。然后水热反应生成三氧化二铁纳米片/石墨烯复合物。本方法中，双氧水的加入可在石墨烯表面刻蚀出纳米尺寸的介孔，增加比表面积。三氧化二铁呈现少层二维纳米片的形貌，极大地提高了材料的电荷传输效率、与基体材料的键合作用； 三氧化二铁均匀生长于石墨烯表面，极大地改善了材料的导电性，抑制了充放电过程中金属氧化物的体积变化。以上结构特点使三氧化二铁纳米片/石墨烯复合材料克服了铁氧化物负载量低、循环性能差的致命缺点，具有突出的实用价值。

本发明提出的一种三氧化二铁纳米片/石墨烯复合电极材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）分别配置0.05-5 摩尔/升的七水合硫酸亚铁溶液和1-10 毫克/毫升的石墨烯分散液中，然后把七水合硫酸亚铁溶液缓慢加入到石墨烯分散液中，水浴超声30分钟形成均一溶液；

（2）以0.01-5毫升/分钟的滴加速率把沉淀剂加入到步骤（1）所得均一溶液中，搅拌30分钟后逐滴加入3毫升双氧水,搅拌20分钟，得到混合溶液；