[发明专利]磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料及其制备方法和应用，该方法将在石墨烯片上原位生长的普鲁士蓝MOF转化为石墨烯包覆的氧化铁气凝胶，再将磷原子通过煅烧的方式掺杂到石墨烯晶格中，得到所述的磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料。与现有技术相比，本发明通过磷的掺杂提高了循环寿命以及稳定性，磷原子与石墨烯碳原子结合使锂离子更好的嵌入，以及有着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；本发明具有工艺简单，条件温和，成本低廉等优点；本发明所制备的磷掺杂石墨烯包覆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。

技术领域

本发明属于材料科学和电化学技术领域，尤其是涉及一种磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车产业的快速发展电子产品锂离子电池(LIBs)以其高能量密度成为推动未来发展的重要技术之一，已成为科技创新的重要组成部分。锂离子电池综合性能的关键在于电极材料目前应用最广泛的负极材料是石墨，但其理论容量低，稳定性不高，循环比性能差，远远不能满足不断变化的电子电气工业开发综合性能好、安全方便的新型电极材料，对锂离子电池的不断创新具有重要意义。金属氧化物由于其理论容量高，受到越来越多学者的关注，目前，Sn、Fe、Co、Cu和Ti是LIBs负极材料的主要金属氧化物。

Fe₂O₃具有理论容量高、资源丰富、环境友好等优点，是新型高容量阳极材料的研究热点之一。然而，Fe₂O₃阳极材料的体积效应大、循环稳定性差等问题仍然需要优化。目前已知的改进方法主要有多维纳米结构复合材料、壳核结构、杂化多孔晶体金属有机骨架(MOFs)、孔结构等为了防止氧化铁的体积效应，石墨烯的添加是目前最有前途的方法之一，它可以提高其稳定性和电化学性能，同时有效控制体积膨胀。

发明内容

本发明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磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料及其制备方法和应用。

本发明通过在石墨烯晶格中引入杂原子(特别是磷)进一步提高石墨烯的电化学性能，并将其应用到超级电容器和燃料电池中，取得了良好的性能。由于磷的电负性低，在石墨烯和金属氧化物复合材料中引入磷具有重要的意义。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明一方面提供一种磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料的制备方法，将在石墨烯片上原位生长的普鲁士蓝MOF转化为石墨烯包覆的氧化铁气凝胶，再将磷原子通过煅烧的方式掺杂到石墨烯晶格中，得到所述的磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料。

优选地，该方法包括以下步骤：

(1)将亚铁氰化钾溶解到氧化石墨烯溶液中；

(2)将步骤(1)所得溶液离心除去上清液，再加入去离子水，接着加入氯化铁六水化合物，继续离心去除上清液；

(3)将步骤(2)得到的沉淀加入去离子水中并进行水热反应，得到还原氧化石墨烯水凝胶复合材料，冷冻干燥后，得到石墨烯普鲁士蓝复合材料；

(4)将步骤(3)得到的石墨烯普鲁士蓝复合材料在空气氛围中进行高温煅烧，得到石墨烯包覆的氧化铁气凝胶；

(5)将步骤(4)得到的石墨烯包覆的氧化铁气凝胶在氮气氛围中与磷源一同煅烧，得到所述的磷掺杂石墨烯包覆氧化铁复合材料。

优选地，步骤(1)中，亚铁氰化钾与氧化石墨烯的质量比为8～12:1。

优选地，步骤(1)中，亚铁氰化钾采用浓度为0.5M的亚铁氰化钾溶液，氧化石墨烯溶液的浓度为3mg/ml。

优选地，步骤(2)中加入氯化铁六水化合物后溶液呈深蓝色。