[发明专利]石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料及制备方法，属

于碳纳米材料技术。

背景技术

随着燃料资源的日益短缺以及人们对于便携式装置的需求越来越多，储能器件受到了人们的广泛关注。其中，锂离子电池因其具有长循环寿命，高容量、高能量密度、清洁安全等优点，成为了人们争相开发的焦点。其中，由于传统负极材料石墨的容量只有372 mAh/g，限制了锂离子电池整体容量和功率密度、能量密度的提升。因此，负极材料在近几年得到了广泛的研究。氧化铁作为负极材料，具有高的理论容量、低成本、无毒等优点，但是其低的电导率以及在锂嵌入脱出过程中发生的大的体积变化，使其倍率性能和循环性能差。目前的解决方法有两种，一种是纳米化，另一种即与碳材料进行复合。纳米化可以缓解其大的体积变化，碳材料复合可以增加其导电性，提高倍率性能。纳米碳包覆氧化铁结构应运而生。

另一方面，石墨烯作为新兴的二维碳纳米材料，具有碳的六元环紧密堆积形成的二维周期性点阵结构，厚度仅为 0.335 nm。因其结构的独特性，石墨烯具有大的比表面积（理论值为 2600 m²/g）、优异的导电性能和导热性能，是在锂离子电池以及超级电容器等能源存储领域具有广泛的应用前景。但是片层石墨烯化学稳定性差，易于团聚，使其有效比表面积大大低于理论值，从而限制了相关应用。

目前现有的报道中，已有关于碳包覆氧化铁与石墨烯复合材料的相关应用。但是，他们在应用上也存在固有缺陷。如形貌的控制和纳米化不能解决导电性问题，碳材料的复合，石墨烯、CNTs等不能解决不稳定的SEI膜形成问题，而多层的碳包覆在一定程度上限制了活性物质的容量。因此需找一种能够结合两者优势的碳纳米结构材料成为了能源方向电极材料研究的热点之一。目前，关于石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料及其制备方法，尚未见到相关报道。

发明内容

本发明旨在提供一种石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料及制备方法，该石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料具有优良的孔结构、导电性以及化学稳定性，是锂离子电池的负极的良好材料之一，其制备方法过程简单。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料，其特征在于，在层间距为20~80 nm的相邻的两层石墨烯片中负载直径为10~60 nm的碳包覆氧化铁的颗粒，颗粒中的核为同心球状氧化铁，颗粒外层是碳层，厚度约为5~20 nm，氧化铁质量占复合材料质量的20 %~ 50%。

上述石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

1）在机械搅拌条件下，分别将Fe(NO₃)₃·9H₂O和氧化石墨烯加入去离子水中，配制成0.5~3 mol·mL^-1的Fe(NO₃)₃水溶液以及1~2 mg·mL^-1的氧化石墨烯水溶液，按Fe³⁺与氧化石墨烯的质量比为（1~10）: 10，将Fe(NO₃)₃水溶液滴加到氧化石墨烯水溶液中得到混合液，按水合肼与氧化石墨烯水溶液体积比为（1~2）：1000，向混合液加入质量分数为80%的水合肼溶液，得到前驱体悬浮液；

2）以步骤1）得到的前驱体悬浮液在温度70℃~90℃条件下水浴搅拌12 h，待冷却至室温，真空抽滤、去离子水洗涤，冻干，得到前驱体粉末；

3）将前驱体粉末置于方舟中，将其平放于石英管式炉中，在流量为50~300 mL·min^-1的氩气保护下，以4~20℃·min^-1的速率升温至500~600℃后，并在50~300 mL·min^-1的氩气中保温10~30 min后，以4~20℃·min^-1的速率升温至800~900℃，同时，以10~60 mL·min^-1向管式炉中通入甲烷气体反应15~60 min，最后在50~300 mL·min^-1的氩气气氛保护下，随炉冷却至室温，得到石墨烯负载的球状碳包覆氧化铁的复合材料。