CN105489398A - 一种Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超级电容器纳米复合材料技术领域，具体为一种Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法。本发明方法具体步骤如下：(1)制备氧化石墨烯胶体溶液；(2)将氧化石墨烯胶体溶液和氢氧化铁胶体或者饱和氯化铁溶液混合、超声；(3)将超声后混合溶液于水热釜反应，结束后，自然冷却，洗涤、烘干得到Fe2O3/石墨烯复合材料。本发明方法简便易行，整个过程环境友好，不仅能有效控制Fe2O3粒径的大小，得到了不同粒径的Fe2O3晶体，而且Fe2O3更加均匀的分散在石墨烯之中，在作为超级电容器电极材料时，显示出很好的电化学性能，为超级电容器电极材料中可控金属氧化物的制备提供了一种思路。

Description

一种Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于一种超级电容器导电材料的制备技术领域，具体涉及一种Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术
随着人们对能源需求的不断增大，开发高效储能设备成为一项重要的任务。超级电容器，是一种通过法拉第反应产生电化学电容的新型储能器件，近年来逐渐在便携式电子设备、混合动力汽车和电力汽车中有越来越多的应用。超级电容器的电极材料性能在很大程度上影响着其电化学性能。将Fe2O3晶体均匀分散在石墨烯之中，从而得到以石墨烯为基质的复合材料，是制备高性能电极材料的有效手段。但是在制备过程中，由于Fe2O3晶体的形成速度较快，往往出现堆积或者生长成较大的晶体，得不到均匀分散的复合材料，严重影响了材料的电化学性能，因此，制备粒径可控的石墨烯/Fe2O3复合材料对制备高性能的超级电容器电极材料有重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法，该制备方法简单，得到的Fe2O3/石墨烯复合材料中，Fe2O3晶体均匀分散在石墨烯之中，同时Fe2O3粒径可控。
本发明将饱和氯化铁溶液制成胶体或者直接将饱和氯化铁溶液在低温或常温下与氧化石墨烯混合，并且辅以超声处理，制备出不同粒径的Fe2O3均匀分散在石墨烯中的复合材料。
本发明提供一种Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将氧化石墨烯分散在水中，之后超声处理，得到均一透明的氧化石墨烯胶体溶液；
(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯胶体溶液和氢氧化铁胶体或者饱和氯化铁溶液混合，混合后，超声处理20min～2h；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液，于水热釜中170-190℃反应10～13小时；反应结束后，自然冷却，洗涤、烘干得到Fe2O3/石墨烯复合材料。
上述步骤(1)中，氧化石墨烯胶体溶液中，氧化石墨烯的质量体积比浓度在0.3-0.6mg/mL之间。
上述步骤(2)中，将氧化石墨烯胶体溶液和氢氧化铁胶体混合，是通过将氧化石墨烯胶体溶液边搅拌边缓慢滴加到氢氧化铁胶体中实现。
上述步骤(2)中，所述氧化石墨烯胶体溶液和氢氧化铁胶体的体积比为14:1～16:1。
上述步骤(2)中，将氧化石墨烯胶体溶液和饱和氯化铁溶液混合，是通过在冰浴条件或者室温条件下，边搅拌边将饱和氯化铁溶液滴加到氧化石墨烯胶体溶液中实现。
上述步骤(2)中，所述氧化石墨烯胶体溶液和饱和氯化铁溶液的体积比为20:1～30:1。
上述步骤(2)中，超声功率为300W。
本发明通过将饱和氯化铁溶液制成胶体得到的Fe2O3/石墨烯复合材料中，Fe2O3的粒径在600～800nm之间。
本发明冰浴条件下采用饱和氯化铁溶液得到的Fe2O3/石墨烯复合材料中，Fe2O3的粒径在300～500nm之间；常温条件下采用饱和氯化铁溶液得到的Fe2O3/石墨烯复合材料中，Fe2O3的粒径在0.9～1.2μm之间。
本发明的有益效果在于：
1)本发明制备方法简便易行，粒径控制效果明显。
2)Fe2O3均匀分散在石墨烯之中，且石墨烯无明显团聚现象。
3)通过控制Fe2O3的粒径，复合材料的电化学性能也同时得到明显的调控，且都显示出较好的电化学性能。
4)制备全过程没有有毒物质产生，环境友好，符合绿色化学概念。
附图说明
图1为实施例1制备的Fe2O3粒径在500nm左右的复合材料SEM(扫描电镜)图。
图2为实施例2制备的Fe2O3粒径在800nm左右的复合材料SEM图。
图3为实施例3制备的Fe2O3粒径在1.2μm左右的复合材料SEM图。
图4为实施例1,2,3中三种不同粒径Fe2O3与石墨烯的复合材料在扫描速度为20mV/s下的循环伏安曲线。
图5为实施例1,2,3中三种不同粒径Fe2O3与石墨烯的复合材料在2A/g下的充放电曲线。
具体实施方式
下面通过几个优选的实例进一步说明本发明的技术方案，但是所述的实施例的说明仅仅是本发明的一部分实施例，不应在任何程度上理解为对本发明的限制。
实施例1
1)配制30mL浓度为0.5g/mL的氧化石墨烯溶液，超声处理，得到均一透明的胶体溶液。
2)取30mL的去离子水，加热至沸腾，向其滴加2mL饱和氯化铁溶液，保持沸腾3min，制得氢氧化铁胶体，然后自然冷却。
3)取2mL氢氧化铁胶体，边搅拌边缓慢加入1)中溶液，超声30min。
4)将上述溶液转入100mL聚四氟乙烯作为内衬的不锈钢水热釜中，在180℃恒温保持12小时。
5)待水热釜自然冷却后，分别用去离子水洗涤所得沉淀三次，并在80℃下烘干。得到的复合材料中，Fe2O3粒径在500nm左右。其扫描电镜图如图1所示。
采用上海辰华仪器有限公司生产的电化学工作站测试CHI760测试材料的电化学性能，活性物质、导电炭黑和聚四氟乙烯按照8:1:1混合均匀，然后涂覆在泡沫镍上制成电极。cv曲线如图4中a所示，明显的氧化还原峰，说明在循环过程中复合材料显示出良好的电化学行为。充放电曲线如图5中a所示，在2A/g的电流密度下，电容量达到375F/g。
实施例2
1)配制30mL浓度为0.5g/mL的氧化石墨烯溶液，超声处理，得到均一透明的胶体溶液。
2)将1)中溶液转入冰浴之中，待其温度降至0-5℃。
3)向1)中溶液滴加1mL饱和氯化铁溶液，边加边搅拌，完成后超声30min。
4)将上述溶液转入100mL聚四氟乙烯作为内衬的不锈钢水热釜中，在180℃恒温保持12小时。
5)待水热釜自然冷却后，分别用去离子水洗涤所得沉淀三次，并在80℃下烘干，得到的复合材料中，Fe2O3粒径在500nm左右，其扫描电镜图如图2所示。
cv曲线如图4中a所示，明显的氧化还原峰，说明在循环过程中复合材料显示出良好的电化学行为。充放电曲线如图5中a所示，在2A/g的电流密度下，电容量达到301F/g。
实施例3
按照实施例2的方法，只是不加冰浴，直接向氧化石墨烯中加入饱和氯化铁溶液。最终得到的复合材料，Fe2O3粒径在1.2μm左右，其扫描电镜图如图3所示。
cv曲线如图4中a所示，明显的氧化还原峰，说明在循环过程中复合材料显示出良好的电化学行为。充放电曲线如图5中a所示，在2A/g的电流密度下，电容量达到297F/g。

Claims (9)

1.一种Fe2O3/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将氧化石墨烯分散在水中，之后超声处理，得到均一透明的氧化石墨烯胶体溶液；
(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯胶体溶液和氢氧化铁胶体或者饱和氯化铁溶液混合，混合后，超声处理20min-2h；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液，于水热釜中170-190℃反应10-13小时；反应结束后，自然冷却，洗涤、烘干得到Fe2O3/石墨烯复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，氧化石墨烯胶体溶液中，氧化石墨烯的质量体积比浓度在0.3-0.6mg/mL之间。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将氧化石墨烯胶体溶液和氢氧化铁胶体混合，是通过将氧化石墨烯胶体溶液边搅拌边缓慢滴加到氢氧化铁胶体中实现。
4.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化石墨烯胶体溶液和氢氧化铁胶体的体积比为14:1～16:1。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将氧化石墨烯胶体溶液和饱和氯化铁溶液混合，是通过在冰浴条件或者室温条件下，边搅拌边将饱和氯化铁溶液滴加到氧化石墨烯胶体溶液中实现。
6.如权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化石墨烯胶体溶液和饱和氯化铁溶液的体积比为28:1～30:1。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，超声功率为300W。
8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，得到的Fe2O3/石墨烯复合材料中，Fe2O3的粒径在600～800nm之间。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，冰浴条件下得到的Fe2O3/石墨烯复合材料中，Fe2O3的粒径在300～500nm之间；常温条件下得到的Fe2O3/石墨烯复合材料中，Fe2O3的粒径在0.9～1.2μm之间。
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