Fe3O4-石墨烯納米復(fù)合材料的溶劑熱法制備及其電容性能研究.pdf

1、Fe3O4因其較高的理論比電容、廉價易得和綠色環(huán)保等優(yōu)點在超級電容器電極材料方面有較為廣闊的應(yīng)用前景。但Fe3O4的結(jié)構(gòu)特性受其制備條件的影響顯著，進而決定著它的電容性能好壞，為了獲得性能優(yōu)良的電容電極材料，必須優(yōu)化制備條件并對其進行構(gòu)效關(guān)系的探討。
　　基于此，本文進行了以下三方面的研究：
　?。?）使用溶劑熱法，在反應(yīng)物濃度為無水三氯化鐵0.0500 mol/L（簡稱AF體系），及反應(yīng)物濃度為無水三氯化鐵0.0580 m

2、ol/L（簡稱BF體系）條件下制備 Fe3O4。在電化學(xué)工作站上使用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗樣品等手段對樣品的電容性能進行測試，采用X射線衍射、氮吸附、SEM對樣品的物相組成、孔結(jié)構(gòu)及表面形貌進行表征，探討了Fe3O4的成核、生長及形貌演變規(guī)律，考察了制備時間對樣品電容性能的影響，優(yōu)選了電容性能較好的Fe3O4樣品。
　?。?）以325目和5000目的鱗片石墨為原料，運用Hummers法和Eigers法制備了4種氧化石墨烯

3、樣品，使用乙二醇還原制得4種石墨烯樣品，考察了原料目數(shù)和制備方法對所得石墨烯電容性能的影響。采用一步法、兩步法及機械研磨法將其與優(yōu)選出的Fe3O4樣品進行復(fù)合，得到一系列Fe3O4/石墨烯樣品，揭示了石墨烯含量和復(fù)合方式對Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料電容性能和循環(huán)穩(wěn)定性的影響，并優(yōu)化得到比容量大、循環(huán)穩(wěn)定性好的Fe3O4/石墨烯樣品。
　　（3）以電容性能最佳的Fe3O4/石墨烯樣品為研究對象，考察了其在濃度范圍0.7-1.2 mo

4、l/L的硫酸鈉、亞硫酸鈉及氫氧化鉀電解液中的電容性能，得到了適合于 Fe3O4/石墨烯作為電容器使用的較佳工作環(huán)境。主要結(jié)論如下：
　?。?）在溶劑熱體系中，F(xiàn)e3O4會經(jīng)歷“聚集體-片狀球體-空心球體”的形貌演變過程。反應(yīng)初期，F(xiàn)e3O4會在溶液中成核生長形成片狀聚集體；反應(yīng)中期，F(xiàn)e3O4片狀聚集體的表面能隨制備時間的增加不斷減小，使得片狀聚集體進一步組裝成球體；反應(yīng)后期，奧斯瓦爾德熟化效應(yīng)開始體現(xiàn)，球體內(nèi)部晶粒溶解，最終發(fā)育

5、成空心球體。當制備時間大于16 h時，隨制備時間的延長，F(xiàn)e3O4的孔體積不斷增加，比表面積逐漸增大，結(jié)晶度不斷提高，較大的孔體積與比表面積有利于電解液在材料中的遷移。規(guī)整的晶型有利于材料穩(wěn)定性的提高，從而使得Fe3O4的比電容隨時間的延長而逐漸增加。在AF和BF體系下制得的Fe3O4樣品在電流密度為0.4 A/g時，其比容量均高于150 F/g。其中，AF和BF體系中，制備時間為24 h條件下所制得樣品AF24和BF24的比電容較高，

6、可達234 F/g和222 F/g。
　?。?）與機械法及兩步法相比，一步法可將片狀Fe3O4通過共價鍵固定在石墨烯表面，并以疏松的層狀結(jié)構(gòu)生長，從而增加了復(fù)合材料與電解液的接觸，提供了更多的贗電容。與此同時，石墨烯表面上Fe3O4的存在可阻止石墨烯的堆疊，進而增強Fe3O4/石墨烯在充放電過程中的穩(wěn)定性。反應(yīng)物濃度為無水三氯化鐵0.0580 mol/L，無水乙酸鈉0.2333 mol/L和無水檸檬酸鈉0.0200 mol/L，乙

7、二醇60 mL，氧化石墨烯0.4052 g，在205 oC下反應(yīng)24 h制得的樣品BF24G60S在電流密度為0.4 A/g時，比電容最高，可達300 F/g。且該樣品循環(huán)500次后容量保持在初始值的93％以上。
　?。?）樣品BF24G60S的電容特性，受電解液和溫度的影響小，其在濃度為0.7-1.2 mol/L的Na2SO4、Na2SO3和KOH電解液中均具有良好的贗電容特性。其中，濃度為0.9 mol/L的 KOH更適合作為