一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种具有良好电化学性能的温敏型Fe

【技术实现步骤摘要】
一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料及其制备方法和应用。
技术介绍
过渡金属氧化物是一类具有高理论容量的负极材料，如氧化铁(Fe2O3)的理论容量可以高达1008mAh/g，表现出优异的储能效果。另外，铁元素储量丰富，易开采，应用前景广。但其导电性差，且充放电过程中体积膨胀大，导致电池寿命缩短，稳定性变差。石墨电极一直在商业锂离子电池中占据主导地位。尽管石墨的氧化还原能高于所用有机电解质中未被占据的最低分子轨道(LUMO)。石墨表面与电解质溶剂反应形成稳定的固体电解质膜(SEI)，为其具有较长寿命的运行提供了稳定性。然而，由于其工作电压接近Li/Li+，特别是在快速充电和低温的条件下，在石墨表面形成锂枝晶和内部短路，从而造成灾难性的安全危害。为了解决上述问题，科研工作者们对各种类型的电极材料进行了大量的探究，发现石墨烯片层薄且柔软，不仅能够很好的固定纳米颗粒，使其均匀分散，而且在一定程度上可以防止纳米颗粒团聚，缓解活性材料在充放电过程中发生的体积变化。反过来，被固定在石墨烯片层上的金属氧化物的纳米颗粒也能够在一定程度上防止石墨烯片层团聚。此种协同效应提升了复合材料存储锂离子的性能和循环性能。温敏材料聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)是一类两亲性物质，主要有C、N、O三种元素组成，在水中和有机溶剂中均具有良好的溶解性能。温敏材料在水中可以形成类似凝胶状的溶液，因此，可以提高金属氧化物的分散性能。而将石墨烯进行氧化处理，使其表面含有丰富的含氧官能团，形成氧化石墨烯，能促使其在水中分散均匀。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有良好电化学性能的温敏型Fe2O3复合氧化石墨烯纳米材料制备方法，该材料以温敏材料聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)为模板、氧化石墨烯为载体，制备出形貌可控的温敏型Fe2O3复合氧化石墨烯纳米颗粒，由于其比表面积大，所含碳氮量更高，能有效增强材料的导电性，加快锂离子扩散的速度，使其脱嵌锂效果更强，电池的性能更加优越等特点。另外，此种结构一方面可缓解氧化铁充放电过程中的体积膨胀；另一方面，在一定程度上防止石墨烯片层紧密堆叠，表现出了较氧化铁和石墨烯单一材料更好的电化学性能，为锂电池提供了较长的循环寿命和较强的安全性能。综上所述，Fe2O3纳米材料在锂离子电池中的应用与拓展是值得研究和探讨。因此开发制备工艺简单、条件温和、能增强材料导电性，有效加强锂电池性能的温敏型Fe2O3复合氧化石墨烯纳米材料具有重要的科学意义和应用前景。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料的制备方法，包括以下步骤：1)将温敏材料溶于去离子水中，搅拌均匀；2)将氧化石墨烯分散于步骤1)获得的溶液中，得到氧化石墨烯分散的温敏材料水溶液；3)将可溶性铁盐溶解于步骤2)所述的氧化石墨烯分散的温敏材料水溶液，然后加入聚丙烯腈(PAN)，充分溶解后，使用磷酸二氢钠调节溶液pH＝7；4)将步骤3)获得的溶液置于100～180℃温度下进行微波水热反应8～12h，得到固体为含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以有如下进一步的具体选择或优化选择。具体的，在步骤1)中，所述温敏材料为聚N-异丙基丙烯酰胺，其在所述去离子水中的浓度为1×10-2～50×10-2mmol/L。具体的，在步骤2)中，所述温敏材料与氧化石墨烯的质量比为1：1～1：2。其中所述氧化石墨烯采用Hummer法制备。具体的，在步骤3)中，所述温敏材料与可溶性铁盐的质量比为1：20～1：100。其中，所述金属铁盐为可溶性铁盐，例如硫酸铁、硝酸铁、氯化铁等。所述充分溶解为采用超声分散0.5～2h。所述聚丙烯腈(PAN)与可溶性铁盐的质量比为1：100～1:200。所述氧化石墨烯：金属铁盐质量比为1：10～1：100。具体的，在步骤4)中，所述微波水热反应技术中温度为120～180℃，反应时间优选为10～12h。优选的，还包括步骤5)，在步骤5)中对步骤4)所得的所述含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料采用正己烷洗涤并干燥，然后在惰性气体保护下，进行退火处理。具体的，在步骤5)中，采用无水正己烷洗涤后，离心取固体沉淀，该操作重复三次以上，最后将所得固体置于真空干燥烘箱中干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为18～24h；所述退火处理的温度为350～600℃，退火处理的时间为1～3h。本专利技术的第二方面还提供一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料，其采用上述方法制备而成。本专利技术的第三方面提供了一种将上述含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料在锂离子电池负极材料中的应用。本专利技术与现有氧化铁制备技术相比，具有如下突出优点：(1)本专利技术方法在制备氧化铁复合材料过程中，采用温敏材料为模板，一方面可增强各物质相容性，另一方面为纳米氧化铁的顺利生长提供模板作用。(2)本专利技术制备得到的纳米氧化铁为球形结构，粒径小于50nm，这种纳米结构更有利于电子的传输以及电流的稳定。(3)本专利技术制备得到的含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯相比传统的氧化铁材料具有更高的比容量，具体表现为充放电比容量稳定在880mAh/g，且循环50周，效率依然维持在93％。附图说明图1为水热法制备得到纯Fe2O3纳米球的SEM表征；图2为加入温敏材料为模板后，水热法制备得到纯Fe2O3纳米球的SEM表征；图3为含有温敏材料的Fe2O3复合氧化石墨烯纳米材料的TEM表征图；图4为纯Fe2O3复合氧化石墨烯纳米材料作为电池负极材料循环伏安图；图5为含有温敏材料的Fe2O3复合氧化石墨烯纳米材料作为电池负极材料循环伏安图；图6为锂离子电池组装流程示意图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合附图及具体实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1：水热法合成纯Fe2O3纳米材料，具体实施流程：具体操作过程为：称取1.0gFeCl3·6H2O完全溶于30mL去离子水，再称取10mgPAN(聚丙烯腈)加入上述溶液恒温搅拌至清澈透明。混合溶液调节pH值至7。调节溶液pH值后放入超声波仪混合震荡，消去气泡，倒入容量为50mL的聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃加热反应12h。将产物用去离子水冲洗，再使用无水乙醇洗涤，离心，重复上述操作数次。最后置于真空干燥箱中80℃干燥24h，得到Fe2O3纳米球粒子。实施例2：水热法合成Fe2O3复合氧化石墨烯纳米材料，具体操作过程为：称取0.050g氧化石墨烯，1.0gFeCl3·6H2O，10mg聚丙烯腈一同溶于30mL去离子水，再用0.1m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)将温敏材料溶于去离子水中，搅拌均匀；/n2)将氧化石墨烯分散于步骤1)获得的溶液中，得到氧化石墨烯分散的温敏材料水溶液；/n3)将可溶性铁盐溶解于步骤2)所述的氧化石墨烯分散的温敏材料水溶液，然后加入聚丙烯腈，充分溶解后，使用磷酸二氢钠调节溶液pH＝7；/n4)将步骤3)获得的溶液置于100～180℃温度下进行微波水热反应8～12h，得到固体为含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将温敏材料溶于去离子水中，搅拌均匀；
2)将氧化石墨烯分散于步骤1)获得的溶液中，得到氧化石墨烯分散的温敏材料水溶液；
3)将可溶性铁盐溶解于步骤2)所述的氧化石墨烯分散的温敏材料水溶液，然后加入聚丙烯腈，充分溶解后，使用磷酸二氢钠调节溶液pH＝7；
4)将步骤3)获得的溶液置于100～180℃温度下进行微波水热反应8～12h，得到固体为含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料。


2.根据权利要求1所述的一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述温敏材料为聚N-异丙基丙烯酰胺，其在所述去离子水中的浓度为1×102～50×10-2mmol/L。


3.根据权利要求1所述的一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，所述温敏材料与氧化石墨烯的质量比为1：1～1：2。


4.根据权利要求1所述的一种含有温敏材料的氧化铁复合氧化石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，所述温敏材料与可溶性铁盐质量比为1：20～1：100；所述充分溶解为采用超声分散0.5～2h；所述聚丙烯腈与可溶性铁盐的质量比为1：100～1:200。


5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑶瑶，彭文举，丁瑜，王峰，杜军，龙金辉，杨世龙，罗杰，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42