[发明专利]一种复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及纳米材料技术和能源科学领域，特别是涉及一种复合材料及其制备方法和用途。一种复合材料，包括中空碳纳米材料和Fe₃O₄纳米颗粒，所述中空碳纳米材料呈凹陷碗状结构，所述碗状结构中凹陷部负载有Fe₃O₄纳米颗粒；所述碗状结构的碗壁呈分级多孔结构，所述分级多孔结构包括大孔、微孔和介孔，所述大孔的孔径为＞50nm，所述微孔的孔径为＜2nm，所述介孔的孔径为2nm～50nm。本申请通过初湿浸渍将颗粒尺寸小于50nm的Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散在中空碳纳米材料的碗状结构的凹陷部，且通过控制初湿浸渍的次数，可控的在凹陷部能合成不同含量的Fe₃O₄纳米颗粒。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术和能源科学领域，特别是涉及一种复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

超级电容器作为一种环境友好型的高效能量储存与转换装置，受到了研究工作者的广泛关注。由于它具有高功率密度、快速充电/放电能力、较宽的工作温度范围，环境污染小和使用寿命长等突出特性，被广泛应用于各个领域，例如数字通信设备，备用电源系统，混合动力汽车以及便携式电子产品。

超级电容器设备中有两种不同类型的能量存储机制，分别为双电层电容(EDLC)和法拉第赝电容(PC)。EDLC是利用碳电极和电解质的界面之间形成相反的电子或离子排列，从而使电荷在电极/电解质可及表面上集聚。碳基材料，如多孔碳，碳纳米纤维，碳纳米管和石墨烯，由于它们具有高的比表面积、优异的孔径结构、导电性好以及成本低廉而被广泛用作于EDLC电极材料。然而，EDLC的有限的比电容限制了其在实际储能领域应用中的使用。法拉第赝电容是通过快速和可逆的氧化还原反应或通过表面和近表面的化学吸附/解吸反应产生电容，其电容值比EDLC高得多。但是，赝电容电极材料的电子和离子电导率很差，导致电极材料具有相对较差的倍率性能和循环稳定性。因此，为了获得更佳的整体电化学性能，有必要设计结合这两种电荷存储机制的复合材料，规避双电层电容器和赝电容器的缺点，展现出更好的能量密度和循环使用稳定性。

在各种赝电容电极材料之中，Fe₃O₄是一种经济高效且环保的材料，由于其氧化态组分以及在水溶液中具有可逆氧化还原法拉第反应的高敏感性，因此具有较高的比电容。例如，Vijayamohanan等研究了Fe₃O₄在水溶液中的法拉第反应机理，大致基于以下方程式：Fe₃O₄⁺2e^-+4H₂O→3Fe(OH)₂+2OH^-。然而，由于其较低的比表面积和较少的孔隙率，Fe₃O₄纳米颗粒易于团聚在一起，且在充电/放电过程中导电性差且离子扩散速率缓慢。因而，使得Fe₃O₄纳米颗粒在用作为超级电容器的电极材料时表现出较差的比电容，较高界面电阻，较低的倍率性能以及在水性电解质中的循环寿命较短。为了解决这一局限性，最有效的方法之一是用具有更高比表面积和更好电导率的碳材料复合Fe₃O₄纳米颗粒。特别地，作为新型纳米结构的中空中空碳纳米材料中空碳纳米材料，由于其比表面积高、密度低、较大的空腔体积、较薄的碳壳厚度以及高的电导率，因而在电化学储能领域具有广阔的应用前景。其中，中空多孔结构有利于电解质的扩散和离子的传输，中空碳纳米材料中空碳纳米材料的空腔结构可用于装载活性氧化物纳米颗粒，从而极大地抑制了它们在电化学过程中的结构的异变和性能的衰减。然而，目前大多数研究中，导电性较差的Fe₃O₄纳米颗粒通常负载在碳球或其他碳材料的的外表面上，这可能会阻塞碳球表面的孔结构，而且不利于碳材料高电导率的发挥，降低了在电解液中的迁移速率。此外，Fe₃O₄直接暴露于电解质会使它在高电流密度下长时间循环时结构不稳定，造成电化学性能的提高存在局限性。