石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物及其制备方法

摘要

本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物及其制备方法，该复合物包括石墨烯及负载在所述石墨烯上的Fe2O3纳米粒子，所述Fe2O3纳米粒子具有蜂窝状的多孔结构，该复合物的合成方法简单，原料的成本低廉。

权利要求

1.一种石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法，其特征在于：该复合物包括石墨烯及负载在所述石墨烯上的Fe2O3纳米粒子，所述Fe2O3纳米粒子具有蜂窝状的多孔结构，所述Fe2O3纳米粒子的形貌为棒状，该复合物的制备方法包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯与丝蛋白溶液混合，调pH为碱性，加入水合肼进行还原，从而获得石墨烯/丝蛋白复合物；

(2)向上述复合物中加入铁源，继续搅拌至完全溶解；

(3)将上述混合物倒入反应釜中，于120～200℃反应8～36h；

(4)反应结束后自然冷却到室温，离心，将产物干燥，得到固体粉末；

(5)将上述固体粉末于320～450℃下的惰性气氛中煅烧3～8h，然后自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯与丝蛋白的质量比不大于1∶4。

3.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯与水合肼的质量比为1∶(0.0004-20)。

4.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法，其特征在于：所述铁源为FeCl3·6H2O，所述氧化石墨烯与FeCl3·6H2O的质量比为1∶(20-60)。

5.根据权利要求1所述的石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的pH为8～11。

说明书

石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物及其制备方法。

背景技术

[0002] 锂电池作为可携带设备的主要能源，其应用领域正在不断壮大，包括电子引擎、绿色能源等。尽管锂电池在商业上已经取得了一些进展，但是它们储能低，循环稳定性弱等缺点限制了其在更大范围上的应用。因此，目前很多研究都在努力寻找一种高效的锂电池电极材料，例如低维的金属氧化物材料。在可替代负极材料中，过渡金属氧化物之一的Fe2O3受-1到越来越多的关注，因为它理论容量(1007mAh g )远高于石墨及其他过渡金属氧化物(SnO2等)，且其价格低廉、储量丰富、环境友好。

[0003] 然而Fe2O3材料电导率差且充放电过程中体积扩张大，阻碍了其在锂电池中的实际应用。克服此问题的方法是寻找一种具有高比表面积、短扩散路径的活性材料与之复合。比表面积大可使金属氧化物具有更多的锂存储位点和更大的便于锂离子扩散的电极-电解质接触面积。因此，考虑到其具有巨大的比表面积和良好的电导率，石墨烯是一种理想的备选材料。

[0004] 此外，大量研究表明，丝蛋白可通过控制纳米材料自组装过程来调控其纳米结构及亲、疏水性，从而提供可控模板来合成氧化铜、银、及其他无机纳米颗粒。α-Fe2O3/graphene、α-Fe2O3/CNTs、α-Fe2O3/carbon等材料已被报道合成，但丝蛋白调控多孔Fe2O3纳米棒/石墨烯复合材料的合成尚未有报道。

[0005] 有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

[0006] 为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物及其制备方法，合成原料的成本低廉，容易获得，合成方法简单。

[0007] 本发明提出了一种石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物，包括石墨烯及负载在所述石墨烯上的Fe2O3纳米粒子，所述Fe2O3纳米粒子具有蜂窝状的多孔结构。

[0008] 进一步的，所述Fe2O3纳米粒子的形貌为棒状。

[0009] 本发明还提出了石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法，包括以下步骤：

[0010] (1)将氧化石墨烯与丝蛋白溶液混合，调pH为碱性，加入水合肼进行还原，从而获得石墨烯/丝蛋白复合物；

[0011] (2)向上述复合物中加入铁源，继续搅拌至完全溶解；

[0012] (3)将上述混合物倒入反应釜中，于120～200℃反应8～36h；

[0013] (4)反应结束后自然冷却到室温，离心，将产物干燥，得到固体粉末；

[0014] (5)将上述固体粉末于320～450℃下的惰性气氛中煅烧3～8h，然后自然冷却至室温。

[0015] 进一步的，所述氧化石墨烯与丝蛋白的质量比不大于1∶4。

[0016] 进一步的，所述氧化石墨烯与水合肼的质量比为1∶(0.0004-20)。

[0017] 进一步的，所述铁源为FeCl3·6H2O，所述氧化石墨烯与FeCl3·6H2O的质量比为1∶(20-60)。

[0018] 进一步的，所述步骤(1)中的pH为8～11。

[0019] 借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明将氧化铁纳米粒子与石墨烯复合，石墨烯具有较大的比表面积和良好的电导率，增强了氧化铁材料的放电容量；而氧化铁的孔结构增大了氧化铁纳米粒子的比表面积，使其具有更多的锂存储位点和更大的接触面积；丝蛋白诱导氧化铁纳米粒子形成棒状结构和蜂窝状的孔洞，其成本低廉、容易获得、生物相溶性好、对环境无污染，而且去除的方法简单。

[0020] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

[0021] 图1是本发明实施例一中样品的扫描电镜图；

[0022] 图2是本发明实施例一中样品的透射电镜图；

[0023] 图3是本发明实施例一中样品的XRD图；

[0024] 图4是本发明实施例一中样品的拉曼光谱图；

[0025] 图5是本发明实施例二中样品的扫描电镜图；

[0026] 图6是本发明实施例三中样品的扫描电镜图；

[0027] 图7是本发明实施例四中样品的扫描电镜图；

[0028] 图8是本发明实施例四中样品的XRD图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0030] 实施例一：

[0031] 石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法：

[0032] (1)将0.05g氧化石墨烯与16mL质量分数为5.06％的丝蛋白溶液混合，调pH为10，并加入0.2mL水合肼进行还原诱导，从而获得石墨烯-丝蛋白纳米纤维复合物；

[0033] (2)向上述复合物中加入2.15g FeCl3·6H2O，继续搅拌至完全溶解；

[0034] (3)将上述混合物倒入反应釜中，于160℃下反应20小时；

[0035] (4)反应结束后自然冷却到室温，并离心洗涤，最后将产物真空干燥；

[0036] (5)将上述所得的固体粉末于真空管式炉中在400℃的氩气气氛中煅烧5小时，然后自然冷却至室温。

[0037] 图1至4分别是本发明实施例一中样品的扫描电镜图、透射电镜图、XRD图和拉曼光谱图，从图1和图2可以看出，该方法下制备得到的样品呈一维棒状结构，从图2可以看到，棒状的氧化铁纳米粒子上有蜂窝状的孔洞，图3表明了该样品为氧化铁，图4进一步表明了产物是氧化铁与石墨烯的复合物。

[0038] 实施例二：

[0039] 石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法：

[0040] (1)将0.05g氧化石墨烯与0.19mL质量分数为5.06％的丝蛋白溶液混合，调pH为10，并加入1mL水合肼进行还原诱导，从而获得石墨烯-丝蛋白纳米纤维复合物；

[0041] (2)向上述复合物中加入1g FeCl3·6H2O，继续搅拌至完全溶解；

[0042] (3)将上述混合物倒入反应釜中，于120℃下反应36小时；

[0043] (4)反应结束后自然冷却到室温，并离心洗涤，最后将产物真空干燥；

[0044] (5)将上述所得的固体粉末于真空管式炉中在320℃的氩气气氛中煅烧8小时，然后自然冷却至室温。

[0045] 图5是样品的扫描电镜图，从图中可以看出，复合物部分呈棒状，部分呈不规则状。

[0046] 实施例三：

[0047] 石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法：

[0048] (1)将0.05g氧化石墨烯与10mL质量分数为5.06％的丝蛋白溶液混合，调pH为10，并加入20μL水合肼进行还原诱导，从而获得石墨烯-丝蛋白纳米纤维复合物；

[0049] (2)向上述复合物中加入3g FeCl3·6H2O，继续搅拌至完全溶解；

[0050] (3)将上述混合物倒入反应釜中，于200℃下反应8小时；

[0051] (4)反应结束后自然冷却到室温，并离心洗涤，最后将产物真空干燥；

[0052] (5)将上述所得的固体粉末于真空管式炉中在450℃的氩气气氛中煅烧3小时，然后自然冷却至室温。

[0053] 图6是样品的扫描电镜图，从图中可以看出，复合物呈棒状。

[0054] 实施例四：

[0055] 石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法：

[0056] 实施例一中将步骤(5)省略，即为本实施例的合成方法。

[0057] 图7是样品的扫描电镜图，从图中可以看出，复合物煅烧之前也是棒状结构，图8是样品的XRD图，表面复合物煅烧前的产物是FeOOH。

[0058] 综上所述，本发明提出了一种石墨烯/多孔氧化铁纳米棒复合物的制备方法，该方法的原料来源广泛，成本低廉，合成工艺简单；本发明将氧化铁纳米粒子与石墨烯复合，石墨烯具有较大的比表面积和良好的电导率，增强了氧化铁材料的放电容量；而氧化铁的孔结构增大了氧化铁纳米粒子的比表面积，使其具有更多的锂存储位点和更大的接触面积；丝蛋白诱导氧化铁纳米粒子形成棒状结构和多孔结构，而且其成本低廉、容易获得、生物相溶性好、对环境无污染，去除的方法简单。

[0059] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。