本發明專利技術涉及一種石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料及其水熱合成方法。其典型的特征為以單層石墨烯作為基體骨架，菱面體氧化鐵在石墨烯片層兩面均勻生長，菱面體氧化鐵的顆粒尺寸為50~150nm，各個面都是規則的平行四邊形。菱面體氧化鐵可以通過石墨烯片層實現良好的導電性，從而提高了復合材料的表觀電導率。該材料制備經過兩個典型步驟，一是制備熱解石墨烯，二是水熱合成石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料。本發明專利技術方法制備的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料工藝簡單，可逆容量高、循環性能好，是一種非常具有研究價值的鋰離子電池負極材料。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種作為鋰電池負極材料的石墨烯三維復合材料，特別是，屬于電化學和材料合成領域。
技術介紹
自日本Sony公司1990年宣布開發成功了一種LiCo02/C搖椅鋰離子電池開始，在世界范圍內掀起了鋰離子蓄電池的研究和產業化熱潮。鋰離子電池的發展，作為一類新型的綠色高能電源，由于其出色的綜合性能，能滿足現代電子行業快速發展的需要，因此，其前景非常廣闊。目前，鋰離子電池技術不斷提高和完善，應用領域也日益擴大，產量不斷增力口，將逐漸取代其它的二次電池體系，在小型二次電池中占主導地位。氧化鐵因具有高理論比容量，豐富的儲量、低廉的價格、對環境友好等優點而成為鋰離子電池負極材料的研究熱點。然而，氧化鐵作為鋰電池負極材料也存在諸多問題，主要包括:(I)氧化鐵自身的電子電導較低，導致在大電流密度下的充放電容量降低；(2)氧化鐵在充放電過程中，體積變化非常大容易造成結構坍塌導致其循環性能很差。目前，對于氧化鐵負極材料的研究主要集中在改進合成方法制備納米結構或介孔氧化鐵來提高其電化學性能。石墨烯(graphene)是一種由碳原子緊密堆積成的單層二維蜂窩狀(只包括六角原胞)晶格結構，它是由Sp2雜化的碳原子緊密排列而成的單層石墨片。具有超強導電性、超強硬度、良好導熱性以及大比表面積，使其在復合材料領域得到很好的應用。目前報道的石墨烯跟氧化鐵復合材料盡管在低倍率充放電性能有所提高，但是其高倍率和長周期循環性能并不好。此外，復合材料中氧化鐵顆粒的結構較為單一，往往都是顆粒或者球體，并未涉及微觀的材料設計合成。而且，大都制備工藝復雜、成本高，難以大量制備
技術實現思路
`本專利技術的目的在于克服氧化鐵作為鋰電池負極材料存在的問題，提供，制備一種新型的形貌獨特、合成工藝簡單和電性能較好鋰離子電池負極材料。該復合材料為菱面體氧化鐵與石墨烯片層的復合，作為基體骨架的石墨烯具有良好的導電性，而菱面體氧化鐵可以通過負載在石墨烯片上，實現其良好導電性，提高了復合材料的表觀電導率。同時氧化鐵的體積膨脹可以在垂直于石墨烯的方向進行，從而減少結構坍塌。為達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案: 一種石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料，以單層石墨烯作為基體骨架，菱面體氧化鐵在石墨烯片層兩面均勻生長，生長在石墨烯上的菱面體氧化鐵顆粒尺寸為5(T150 nm，各個面都是規則的平行四邊形，復合材料中氧化鐵的重量百分比為609Γ80%?！N石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的水熱合成方法，具體步驟為: O制備石墨烯氧化物前驅體； 2)將步驟I)所得的前驅體在惰性氣氛下20(T50(TC低溫預燒2飛h； 3)取適量步驟2)所得到的粉末超聲溶解于去離子水中，然后加入一定質量的水溶性鐵鹽溶解于其中，攪拌； 4)在磁力攪拌器不斷攪拌下，將濃度為0.04 mol/L的乙酸鈉緩慢滴加到步驟3)中的溶液中，然后攪拌0.5 h ； 5)將步驟4)所得的均勻溶液轉入聚四氟乙烯反應釜中，水熱反應6 24h ； 6)將步驟5)的所得的溶液，離心，醇洗三次，水洗三次，烘干，最終得到石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料。上述步驟2)中的惰性氣體為氮氣、氬氣中的一種。上述步驟3)的水溶性鐵鹽為硝酸鐵、氯化鐵、硫酸鐵或醋酸鐵的一種。上述步驟3)和步驟4)中的水溶性鐵鹽和乙酸鈉的摩爾比為0.3 1:1。上述步驟5)中的水熱溫度為160 200 °C。石墨烯氧化物的制備參照Yuxi Xu等在J.AM.CHEM.S0C., 130(18), 5856(2008)中所描述的方法制備。首先用過硫酸鉀、五氧化二磷、濃硫酸將天然石墨預氧化，然后利用高錳酸鉀和濃硫酸進行二次氧化，得到氧化石墨，酸洗除去溶液中的重金屬離子，再經過水洗得到氧化石墨溶液，高速離心、干燥得到氧化石墨固體。同純相的氧化鐵顆粒相比，我們制備的納米復合材料具備以下突出結構和性能特點，本專利技術制備方法的突出特點在于: (O 制備工藝簡單，只需一步水熱合成，復合材料制備的過程在較低溫溫度下反應，制備周期短；產量大，效率高，可規?；瘧谩?2)制備的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的結構特點在于菱面體氧化鐵各個面都是規則的平行四邊形，生長在石墨烯片層兩側，使石墨烯可以發揮出其骨架作用和導電作用。(3)用這種簡單的水熱方法制備的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的鋰電性能得到了很大的提高，我們用同樣的方法制備的純相氧化鐵的放電比容量在100個循環之后僅為173.4 mAh/g，而復合材料在5mV-3.0 V可逆容量為1003.2 mAh/g，而且在100 mAh/g的電流密度下充放電100次仍能維持在657.2 mAh/g。循環性能提高為前者的3倍多。石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料成功克服了純相氧化鐵的兩個缺點，是一種非常有前景的鋰離子電池負極材料。附圖說明圖1為實施例一下的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的XRD圖譜。圖2為實施例二下的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的SEM圖片。圖3為實施例三下的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的SEM圖片。圖4為實施例四下的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的充放電曲線。圖5為實施例四下的石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的循環性能曲線。具體實施例方式下面通過實施例進一步說明本專利技術所提供的方法，本專利技術不限于此。實施例一:以硫酸鐵為鐵源制備石墨稀負載菱面體氧化鐵復合材料。將過硫酸鉀(K2S2O8) 2.5 g，五氧化二磷(P2O5) 2.5 g，溶解于12 mL濃硫酸中，力口熱到80°C;然后將3 g天然石墨加入上述溶液，保溫80°C，4.5小時；冷卻至室溫，用500 mL去離子水稀釋后，靜置過夜；過濾，用0.2 mm filter浮去殘留酸；60°C真空干燥箱中干燥；將得到的預氧化物加入到120 mL冰浴的濃硫酸中，在攪拌下慢慢加入15 g KMnO4，加的過程中保持溫度在20°C以下。然后是溫度控制在35°C攪拌2 h。加250 mL去離子水稀釋，稀釋過程中也要在冰浴中使溫度低于50°C。再攪拌2 11，再加0.7 L去離子水，并立刻加入20 mL30%的H2O2，混合物產生氣泡，顏色由褐色變成了亮黃色，約0.5 h后反應終止。將上述混合物過濾，并用I L的1:10稀鹽酸洗滌，過濾以去除部分金屬離子；再用IL水洗滌過濾，以去除多余的酸；將上述溶液溶解于I L水中，然后在100 W超聲功率下超聲0.5 h左右，得氧化石墨溶液(G0)，離心分離后，在空氣中干燥得到棕黑色的產物即得需要的石墨烯氧化物。將前驅物石墨烯氧化物0.2 g置于惰性氣體的保護下，在20(T50(TC進行熱解處理，使得石墨氧化物脫水，脫去羧基、羥基等含氧官能團，得到石墨烯納米片。取0.60 g硫酸鐵加入50 mL去離子水中，向其中加入50 mg石墨烯,攪拌15 min,超聲0.5 h，再加入0.25g NaAc攪拌30 min，至移入反應釜180°C水熱12小時，離心，醇洗、水洗各3次，80°C烘干得到產物。將制備的產物與導電炭黑Super P，粘結劑聚四氟乙烯(PTFE)按照質量比8:1:1比例均勻混合后，在對輥機上制成膜，用銃頭銃成直徑為12mm的圓膜，干燥稱重；然后將極片用20 MPa的壓力壓在銅網，使材料和銅網牢固結合，極片制作完畢。電本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料，其特征在于，以單層石墨烯作為基體骨架，菱面體氧化鐵在石墨烯片層兩面均勻生長，生長在石墨烯上的菱面體氧化鐵顆粒尺寸為50~150?nm，各個面都是規則的平行四邊形，復合材料中氧化鐵的重量百分比為60%~80%。
【技術特征摘要】
1.一種石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料，其特征在于，以單層石墨烯作為基體骨架，菱面體氧化鐵在石墨烯片層兩面均勻生長，生長在石墨烯上的菱面體氧化鐵顆粒尺寸為5(T150 nm，各個面都是規則的平行四邊形，復合材料中氧化鐵的重量百分比為60% 80%。2.—種石墨烯負載菱面體氧化鐵復合材料的水熱合成方法，其特征在于，具體步驟為: O制備石墨烯氧化物前驅體； 2)將步驟I)所得的前驅體在惰性氣氛下20(T5(KrC低溫預燒2飛h； 3)取適量步驟2)所得到的石墨烯粉末超聲溶解于去離子水中，然后加入一定質量的水溶性鐵鹽溶解于其中,攪拌； 4)在磁力攪拌器不斷攪拌下，將濃度為0.04 mol/L的乙酸鈉緩慢滴加到步驟3)中的溶液中，然后攪拌0.5 h ； 5)將步驟4)所得的均勻溶液轉入聚...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙兵，蔣永，蔡新輝，馬啟亮，凌學韜，劉瑞喆，焦正，陳丹丹，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：
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