氧化鐵復(fù)合納米材料的水熱制備及其超級電容特性研究.pdf

1、超級電容器作為一種新型的儲能器件，由于具有低等效串聯(lián)電阻，快速功率輸出，高能量密度，大功率密度，高循環(huán)效率，長循環(huán)壽命等優(yōu)異性能，目前，已成為國內(nèi)外清潔能源領(lǐng)域的研究熱點之一。氧化鐵，作為一種典型的過渡金屬氧化物半導(dǎo)體材料，其具有良好的贗電容特性。同時，與傳統(tǒng)超級電容器材料（如，石墨烯、碳納米管等碳基材料、氧化釕、氧化鈷、氧化鎳、氧化錳等過渡金屬氧化物材料）相比，氧化鐵納米材料具有含量豐富、制備成本低、環(huán)境友好等眾多優(yōu)點。然而，單純的氧

2、化鐵納米材料導(dǎo)電性能較低，循環(huán)性能較差，比容量不高。針對上述問題，本文通過水熱法合成了不同形貌的氧化鐵納米顆粒，并將不同形貌的氧化鐵納米顆粒與石墨烯和碳納米管進(jìn)行復(fù)合，并系統(tǒng)研究了氧化鐵/碳納米管、氧化鐵/石墨烯等氧化鐵基復(fù)合納米材料的超級電容特性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用水熱法合成出不同形貌的氧化鐵納米材料，并對材料的形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行表征。初步探討了[H2PO4]-對材料形貌的影響。實驗表明磷酸二氫根離子附著在納米晶

3、體的側(cè)壁，導(dǎo)致晶體沿[006]軸向生長。合成出的不同長徑比的棒狀納米顆粒，有效增大了材料的比表面積，擴大了電解液離子與電極活性物質(zhì)的接觸面積，提高了電子和質(zhì)子在電極材料中的傳遞速率，由此造成材料的電化學(xué)性能產(chǎn)生顯著差異。結(jié)果表明長徑比最小的顆粒表現(xiàn)出最優(yōu)的比容量和穩(wěn)定性。⑵利用水熱法制備了多種形貌的氧化鐵/多壁碳納米管復(fù)合材料，對Fe2O3/MWCNT復(fù)合材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)性能測試。結(jié)果表明粒徑較小的Fe2O3納米顆粒能夠生長在

4、碳納米管的管壁上，而粒徑較大的Fe2O3納米顆粒卻無法在管壁上生長。粒徑為5 nm、30 nm、環(huán)狀、鏤空環(huán)狀、片狀的氧化鐵與碳納米管復(fù)合后兼顧了碳納米管和氧化鐵的優(yōu)點，同時又增加了材料的比表面積，加快了電子在電極材料中的傳遞速率，因此提高了Fe2O3/MWCNTs的電容性能。在電流密度為1A/g時，鏤空環(huán)狀氧化鐵/多壁碳納米管復(fù)合材料的比電容最高達(dá)到183 F/g并且循環(huán)性能得到明顯提升，表明氧化鐵/多壁碳納米管復(fù)合材料具有良好的超級

5、電容性能。⑶利用水熱法制備了多種形貌的氧化鐵/石墨烯復(fù)合納米材料，并對Fe2O3/rGO復(fù)合納米材料進(jìn)行形貌表征和電化學(xué)性能測試，可以看到Fe2O3負(fù)載在石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)上，形成二維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅縮短了離子的遷移距離，而且提高了活性材料的利用率；同時，負(fù)載有粒徑為5 nm、30 nm、環(huán)狀、鏤空環(huán)狀、片狀的Fe2O3的石墨烯提高了材料的導(dǎo)電性，加快了有效離子和電荷的傳輸速率，從而提高了復(fù)合材料的電容性能。在電流密度為1 A/g時，粒