一种复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及纳米材料技术和能源科学领域，特别是涉及一种复合材料及其制备方法和用途。一种复合材料，包括中空碳纳米材料和Fe3O4纳米颗粒，所述中空碳纳米材料呈凹陷碗状结构，所述碗状结构中凹陷部负载有Fe3O4纳米颗粒；所述碗状结构的碗壁呈分级多孔结构，所述分级多孔结构包括大孔、微孔和介孔，所述大孔的孔径为＞50nm，所述微孔的孔径为＜2nm，所述介孔的孔径为2nm～50nm。本申请通过初湿浸渍将颗粒尺寸小于50nm的Fe3O4纳米颗粒均匀分散在中空碳纳米材料的碗状结构的凹陷部，且通过控制初湿浸渍的次数，可控的在凹陷部能合成不同含量的Fe3O4纳米颗粒。纳米颗粒。纳米颗粒。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及纳米材料技术和能源科学领域，特别是涉及一种复合材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]超级电容器作为一种环境友好型的高效能量储存与转换装置，受到了研究工作者的广泛关注。由于它具有高功率密度、快速充电/放电能力、较宽的工作温度范围，环境污染小和使用寿命长等突出特性，被广泛应用于各个领域，例如数字通信设备，备用电源系统，混合动力汽车以及便携式电子产品。
[0003]超级电容器设备中有两种不同类型的能量存储机制，分别为双电层电容(EDLC)和法拉第赝电容(PC)。EDLC是利用碳电极和电解质的界面之间形成相反的电子或离子排列，从而使电荷在电极/电解质可及表面上集聚。碳基材料，如多孔碳，碳纳米纤维，碳纳米管和石墨烯，由于它们具有高的比表面积、优异的孔径结构、导电性好以及成本低廉而被广泛用作于EDLC电极材料。然而，EDLC的有限的比电容限制了其在实际储能领域应用中的使用。法拉第赝电容是通过快速和可逆的氧化还原反应或通过表面和近表面的化学吸附/解吸反应产生电容，其电容值比EDLC高得多。但是，赝电容电极材料的电子和离子电导率很差，导致电极材料具有相对较差的倍率性能和循环稳定性。因此，为了获得更佳的整体电化学性能，有必要设计结合这两种电荷存储机制的复合材料，规避双电层电容器和赝电容器的缺点，展现出更好的能量密度和循环使用稳定性。
[0004]在各种赝电容电极材料之中，Fe3O4是一种经济高效且环保的材料，由于其氧化态组分以及在水溶液中具有可逆氧化还原法拉第反应的高敏感性，因此具有较高的比电容。例如，Vijayamohanan等研究了Fe3O4在水溶液中的法拉第反应机理，大致基于以下方程式：Fe3O
4+
2e
‑
+4H2O
→
3Fe(OH)2+2OH
‑
。然而，由于其较低的比表面积和较少的孔隙率，Fe3O4纳米颗粒易于团聚在一起，且在充电/放电过程中导电性差且离子扩散速率缓慢。因而，使得Fe3O4纳米颗粒在用作为超级电容器的电极材料时表现出较差的比电容，较高界面电阻，较低的倍率性能以及在水性电解质中的循环寿命较短。为了解决这一局限性，最有效的方法之一是用具有更高比表面积和更好电导率的碳材料复合Fe3O4纳米颗粒。特别地，作为新型纳米结构的中空中空碳纳米材料中空碳纳米材料，由于其比表面积高、密度低、较大的空腔体积、较薄的碳壳厚度以及高的电导率，因而在电化学储能领域具有广阔的应用前景。其中，中空多孔结构有利于电解质的扩散和离子的传输，中空碳纳米材料中空碳纳米材料的空腔结构可用于装载活性氧化物纳米颗粒，从而极大地抑制了它们在电化学过程中的结构的异变和性能的衰减。然而，目前大多数研究中，导电性较差的Fe3O4纳米颗粒通常负载在碳球或其他碳材料的的外表面上，这可能会阻塞碳球表面的孔结构，而且不利于碳材料高电导率的发挥，降低了在电解液中的迁移速率。此外，Fe3O4直接暴露于电解质会使它在高电流密度下长时间循环时结构不稳定，造成电化学性能的提高存在局限性。
[0005]因此，有必要构建一种新型的优化结构，在用作于高性能的超级电容器电极材料
时可以充分利用碳和Fe3O4纳米粒子之间的协同作用，达到较好的电化学储能应用目的。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种复合材料及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题。
[0007]为了实现上述目的及其他相关目的，本专利技术是通过以下技术方案获得的。
[0008]本专利技术目的之一在于提供一种复合材料，所述复合材料包括中空碳纳米材料和Fe3O4纳米颗粒，所述中空碳纳米材料呈凹陷碗状结构，所述碗状结构的凹陷部负载有Fe3O4纳米颗粒；
[0009]所述碗状结构的碗壁呈分级多孔结构，所述分级多孔结构包括大孔、微孔和介孔，所述大孔的孔径为＞50nm，所述微孔的孔径为＜2nm，所述介孔的孔径为2～50nm。
[0010]优选地，所述Fe3O4纳米颗粒的不超过50nm。
[0011]优选地，所述中空碳纳米材料的平均粒径为100～300nm。
[0012]优选地，所述复合材料的比表面积为300m
2 g
‑1～600m
2 g
‑1。
[0013]优选地，所述复合材料的氮含量为3at％～5at％。
[0014]优选地，所述复合材料的氧含量为5at％～18at％。
[0015]优选地，所述复合材料的堆积密度为1g1cm
‑3～2g1cm
‑3。
[0016]优选地，以复合材料的总质量为基准计，所述复合材料中Fe3O4的含量为10wt％～60wt％。
[0017]本专利技术目的之二在于提供上述所述的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0018]采用初湿浸渍法将含有铁源的浸渍液浸渍到中空碳纳米材料上，然后煅烧，得到所述的复合材料。
[0019]本申请通过初湿浸渍法将Fe3O4纳米颗粒均匀分散于呈凹陷碗状结构的中空碳纳米材料的凹陷部，可控地合成不同含量的Fe3O4纳米颗粒。
[0020]优选地，所述铁源选自硝酸铁、硫酸铁和三氯化铁中的一种或多种。
[0021]更优选地，所述铁源包括前处理。具体地，所述前处理为将铁源分散于介质中。所述介质为乙醇。更具体地，所述铁源与介质的质量体积比为(0.5～3)g:20ml。
[0022]优选地，所述中空碳纳米材料与铁源的质量比为0.5g：(1.5～0.5)g。
[0023]优选地，所述煅烧的温度为300℃～400℃。
[0024]优选地，所述煅烧的时间为2h～3h。
[0025]优选地，所述煅烧在保护气氛中进行。
[0026]更优选地，所述保护气氛选自惰性气体或者氮气。
[0027]优选地，浸渍的次数为1
‑
6次。
[0028]优选地，所述初湿浸渍后还包括干燥。具体地，所述干燥温度为50℃～100℃。
[0029]优选地，将所述中空碳纳米材料置于密闭容器中进行脱气以达到真空状态。具体地，脱气时间为至少30min。
[0030]优选地，所述中空碳纳米材料的制备方法为：
[0031]SiO2纳米球、间苯二酚、乙二胺和甲醛进行聚合反应，然后滴加致孔剂进行水解反应，获得沉淀物；
[0032]将所述沉淀物碳化，煅烧；
[0033]将所述煅烧后的产物经氢氟酸刻蚀，得到所述的中空碳纳米材料。
[0034]更优选地，所述SiO2纳米球的粒径为200～300nm。
[0035]更优选地，所述SiO2纳米球的粒径可以为200nm～260nm，也可以为240nm～300nm。
[0036]更优选地，所述SiO2纳米球包括前处理。具体地，所述前处理为将SiO2纳米球分散于介质中。具体地，介质为由水和乙醇形成的混合溶剂。更具体地，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括中空碳纳米材料和Fe3O4纳米颗粒，所述中空碳纳米材料呈凹陷碗状结构，所述碗状结构的凹陷部负载有Fe3O4纳米颗粒；所述碗状结构的碗壁呈分级多孔结构，所述分级多孔结构包括大孔、微孔和介孔，所述大孔的孔径为＞50nm，所述微孔的孔径为＜2nm，所述介孔的孔径为2nm～50nm。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述Fe3O4纳米颗粒的粒径不超过50nm；和/或，所述中空碳纳米材料的平均粒径为100～300nm；和/或，所述复合材料的比表面积为300m
2 g
‑1～600m
2 g
‑1；和/或，所述复合材料的氮含量为3at％～5at％；和/或，所述复合材料的氧含量为5at％～18at％；和/或，所述复合材料的堆积密度为1g1cm
‑3～2g1cm
‑3；和/或，以复合材料的总质量为基准计，所述复合材料中Fe3O4的含量为10wt％～60wt％。3.一种如权利要求1～2所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用初湿浸渍法将含有铁源的浸渍液浸渍到中空碳纳米材料上，然后煅烧，得到所述的复合材料。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铁源选自硝酸铁、硫酸铁和三氯化铁中的一种或多种；和/或，所述中空碳纳米材料与铁源的质量比为0.5g：(1.5～0.5)g；和/或，所述初湿浸渍在真空条件下进行。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斌元，王礼建，宁月生，赖奕坚，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：