[发明专利]一种铁氧化物@碳纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铁氧化物@碳纳米复合材料及其制备方法和应用，铁氧化物纳米颗粒呈核壳结构，其表面包裹着一层碳膜，分散在碳基体中，铁氧化物Fe₂O₃或Fe₃O₄。还公开了其制备方法，步骤(1)选用二茂铁粉体作为前躯体；步骤(2)将二茂铁粉体进行放电等离子体球磨，得到部分预碳化粉体；步骤(3)将部分预碳化粉体进行热解沉积处理，获得纳米结构的Fe₃C以及碳基体；步骤(4)将Fe₃C进行原位氧化得到Fe₂O₃或Fe₃O₄，并在其表面包裹一层碳膜，随后自然冷却至室温，即获得铁氧化物@碳纳米复合材料。本发明不仅可以用作锂离子负极材料，还可以用作钠离子电池的正极材料，以及作为储氢材料的吸放氢催化剂。

技术领域

本发明涉及复合材料制备领域，特别涉及一种铁氧化物@碳纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展,传统的化石能源加速消耗，并且导致一系列严重的环境问题，因此新能源和能量储存技术的开发显得非常紧迫。锂离子电池(LIBs)由于具有较高比容量、无记忆效应、使用寿命长等优点,而成为了一种倍受青睐的能量存储器件。其在便携式设备，如手机和笔记本电脑等可以移动设备中得到了广泛的应用。但随着这些终端用电设备功能日渐丰富和智能化，以及使用者对可长时间持续供电要求，特别是发展新能源汽车用动力电池，对锂离子电池提出了更高的容量要求。碳基负极材料理论容量为372mAh/g，目前已广泛商业化碳基负极材料的容量已逼近其理论容量极限，难于满足新能源汽车等对高容量的要求。近年来，基于转化反应的过渡金属氧化物具有较高的理论比容量，如Fe₂O₃的理论比容量为1007 mAh/g，Fe₃O₄的理论容量为924 mAh/g，并且这类氧化物的物理化学稳定性好、形貌及尺寸容易控制、较安全的嵌锂电位等优点，而受到了广泛的关注。另外铁氧化物由于资源丰富、价格低廉和环境友好，被认为是非常具有应用前景的高容量负极材料。然而，其较差的电子电导率、离子电导率和结构稳定性等问题影响了其电化学性能，尤其是高倍率性能。改善这些问题的主要方法包括制备纳米结构的活性材料、设计和制备碳包覆材料或将活性物质与高导电性材料混合或掺杂等。但是，目前铁氧化物充放电造成体积变化导致的粉化问题，并没有得到根本的解决。首次不可逆容量高、电压滞后现象严重、首次库伦效率低、循环寿命差、倍率性能差等问题依然存在。

因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种铁氧化物@碳纳米复合材料及其制备方法和应用，本案由此产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种铁氧化物@碳纳米复合材料及其制备方法和应用，不仅可以用作锂离子负极材料，还可以用作钠离子电池的正极材料，以及作为储氢材料的吸放氢催化剂。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种铁氧化物@碳纳米复合材料，铁氧化物纳米颗粒呈核壳结构，其表面包裹着一层碳膜，分散在碳基体中，铁氧化物为Fe₂O₃或Fe₃O₄。

进一步，铁氧化物纳米颗粒粒径大小为20～200纳米。

进一步，碳膜的厚度范围为4～6纳米，优选碳膜厚度为5纳米。

进一步，碳基体的形态为碳纳米管、碳纳米棒或石墨纳米片。

一种铁氧化物@碳纳米复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

步骤（1）：选用二茂铁粉体作为前躯体；

步骤（2）：将二茂铁粉体进行放电等离子体球磨，得到部分预碳化粉体；