[发明专利]分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种以无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法，该材料可作为高倍率锂离子电池负极活性材料。

背景技术

在过去的几十年里，环境污染和化石能源的过度消耗使得发展一种具有高能量和功率密度的能量转化和存储系统更为迫切。而在这些不同的系统中，锂离子电池因其高的能量密度和长的循环寿命被广受关注。目前，作为商业化的锂离子电池负极材料，石墨的理论容量相对较低，因此开发具有高容量的锂离子电池负极材料具有重要的应用价值和现实意义。在高容量的负极材料中，铁氧化物因其廉价，储量丰富，易于合成等特点得到广泛的关注和研究。然而，这些材料存在较低的锂离子扩散系数，低的容量保持率，在脱嵌锂离子过程中大的体积变化等问题，从而限制了其作为锂离子电池负极材料的应用。

纳米线因其特有的电化学和结构优势在储能应用中展现了许多优点。对于锂离子电池，纳米线不仅提供了极短的锂离子扩散距离，同时连续的电子传输路径保证了良好的电子传导，在储能应用中具有巨大的优势。此外，多孔结构能够极大地增加电极材料与电解液的接触，进一步提高离子扩散的速率。同时其中的孔隙为材料在循环过程中发生的体积膨胀提供了有效的缓冲空间，避免结构的坍塌，提高电极材料的循环稳定性。因此在纳米线中造孔是一种最有效的提高材料电化学性能的方法之一。

为了进一步提高材料的高倍率性能，则需要提高材料导电能力。石墨烯因其具有极高的电导率，近年来各种纳米形貌的石墨烯和活性物质的复合物已被多次报导，证实了石墨烯对于改善材料的电化学性能具有极其重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线及其制备方法，其原料来源广，制备工艺简单，具有优良电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线，其由无定形钒氧化物、晶形的四氧化三铁和石墨烯三部分组成，其直径为100～120nm，长度为1.5～2um，其中外层石墨烯厚度为3～5nm，比表面积达32～36m²/g，孔径分布在2-40nm之间，采用下述方法制得，包括有以下步骤：

1)将六水合氯化铁加入到去离子水中，搅拌10-20min使其溶解；

2)在步骤1)所得溶液中，加入氧化石墨烯水分散液，搅拌10-20min；

3)将偏钒酸铵加入到去离子水中，在水浴中搅拌10-20min；

4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和氧化石墨烯的混合物中，搅拌10min；

5)将步骤4)所得的溶液转入反应釜中水热反应，取出反应釜，自然冷却至室温；

6)将步骤5)所得产物离心过滤，并分别用水和无水乙醇洗涤3-5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；

7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中煅烧，即得到无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。

按上述方案，步骤1)所述的六水合氯化铁为1～3mmol；去离子水为10mL；步骤2)所述的氧化石墨烯水溶液中含氧化石墨烯40mg；步骤3)所述的NH₄VO₃为1～3mmol，且其与六水合氯化铁的摩尔比为1:1，水浴温度为80℃。

按上述方案，步骤5)所述的水热反应温度为170～190℃；反应时间为3～5小时。

按上述方案，步骤7)所述的煅烧气氛为氢气，煅烧温度为400～500℃；煅烧时间为3～5小时。

所述的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线的制备方法，包括有以下步骤：

1)将六水合氯化铁加入到去离子水中，搅拌10-20min使其溶解；

2)在步骤1)所得溶液中，加入氧化石墨烯水分散液，搅拌10-20min；

3)将偏钒酸铵加入到去离子水中，在水浴中搅拌10-20min；

4)将步骤3)所得的溶液加入步骤2)所得的氯化铁和氧化石墨烯的混合物中，搅拌10min；

5)将步骤4)所得的溶液转入反应釜中水热反应，取出反应釜，自然冷却至室温；

6)将步骤5)所得产物离心过滤，并分别用水和无水乙醇洗涤3-5次，在80℃烘箱中烘干，即得到黄绿色原钒酸铁/石墨烯粉末；

7)将步骤6)所得产物置于真空管式炉中煅烧，即得到无定形钒氧化物为基质支撑的分级多孔四氧化三铁/石墨烯纳米线。