多級(jí)孔碳和搖鈴型Fe3O4@Fe3C-C異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及電化學(xué)性能優(yōu)化.pdf

1、進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，清潔能源的發(fā)展越來(lái)越引起人們的重視。新能源的存儲(chǔ)是首當(dāng)其沖要面臨的問(wèn)題。超級(jí)電容器和鋰離子電池作為新型儲(chǔ)能器件因具有能量密度高、可逆容量大、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)以及安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是很有前景的儲(chǔ)能裝置。由于電極材料是超級(jí)電容器和鋰離子電池的重要組成部分，是決定其性能的關(guān)鍵因素。因此，高性能電極材料的制備成為目前研究的熱點(diǎn)。
　　四氧化三鐵（Fe3O4）作為一種比較有應(yīng)用潛力的鋰離

2、子電池負(fù)極材料，其理論比容量高達(dá)924 mAh/g，是傳統(tǒng)商業(yè)化石墨的2.5倍。另外，F(xiàn)e3O4具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉和無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外很多科研人員對(duì)其進(jìn)行研究。然而，F(xiàn)e3O4的導(dǎo)電性較差，且其體積在鋰化和去鋰化過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大的變化，造成其結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致其性能會(huì)迅速衰退。本文通過(guò)制備新穎的搖鈴型Fe3O4@Fe3C-C異質(zhì)結(jié)納米粒子，提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，以增強(qiáng)Fe3O4的鋰電性能。
　　多級(jí)孔碳材料具

3、有較大的比表面積、多級(jí)的孔結(jié)構(gòu)、較好的導(dǎo)電性和孔徑可調(diào)等特點(diǎn)，是目前常用的超級(jí)電容器電極材料。通常，硬模板法是合成多級(jí)孔碳材料的常用方法，但是此方法合成過(guò)程較為復(fù)雜且需要用濕化學(xué)刻蝕方法將模板去除，這與綠色化學(xué)的合成理念相違背。此外，多級(jí)孔碳的形貌和孔結(jié)構(gòu)對(duì)其電化學(xué)性能具有不可忽略的影響，調(diào)節(jié)多級(jí)孔碳的形貌和孔結(jié)構(gòu)是優(yōu)化其性能的重要途徑。因此，本文通過(guò)簡(jiǎn)單綠色的合成方法制備出特定形貌的多孔碳材料以改善其性能。
　　本論文主要內(nèi)容如

4、下：
　?。?）搖鈴型Fe3O4@Fe3C-C異質(zhì)結(jié)納米粒子的制備及其優(yōu)秀的鋰電性能。
　　利用原位限域熱解方法制備了以Fe3O4@Fe3C核殼納米粒子為核，梭形碳籠為殼的搖鈴形異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米粒子（Fe3O4@Fe3C-C)。其相對(duì)于核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@C納米粒子表現(xiàn)出更好的鋰電性能。電流密度為500 mA/g時(shí)，其最高可逆容量達(dá)到1128.3 mAh/g。電流密度為2000 mA/g時(shí)，倍率容量保持在604.8 mAh/g

5、。經(jīng)過(guò)400次循環(huán)后，容量仍然可以保持到539.7 mAh/g。據(jù)我們所知，F(xiàn)e3O4@Fe3C-C異質(zhì)結(jié)納米粒子是最有效的Fe3O4基鋰離子電池負(fù)極材料之一。這主要是由于Fe3O4@Fe3C的異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅可以保持Fe3O4納米粒子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而且可以在界面處存儲(chǔ)更多的鋰離子。同時(shí)，多孔的梭形碳?xì)ぬ岣吡虽囯x子的傳輸速率及材料的導(dǎo)電性，并且為Fe3O4在充放電過(guò)程中的體積變化提供了充足的空間。這項(xiàng)工作對(duì)于高性能鋰離子電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)有很

6、大的參考價(jià)值。
　?。?）一步碳化制備多級(jí)孔中空梭形碳納米籠及其增強(qiáng)的超級(jí)電容器性能。
　　一步碳化過(guò)程制備了具有多級(jí)孔的中空梭形碳納米籠（HCNCs），其具有比較高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性能。掃描速率為5 mV/s時(shí)，其比電容量為220 F/g，是中空碳納米球（HCSs）的3.5倍。電流密度為5 A/g時(shí)，經(jīng)過(guò)1000個(gè)充放電循環(huán)后初始容量保持率高達(dá)98％。我們認(rèn)為，梭形碳籠非球形的內(nèi)部空腔對(duì)其容量的增強(qiáng)起非常重要的作用。這項(xiàng)

7、工作為非球形中空膠囊的合成提供了一個(gè)新的途徑。
　?。?）雙模板法制備三維有序介孔碳納米網(wǎng)絡(luò)及其電化學(xué)性能優(yōu)化。
　　采用雙模板共組裝/水熱合成方法，以表面活性劑Pluronic F127為孔模板、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，合成了3D立方孔有序介孔碳納米網(wǎng)絡(luò)（OMCNW-c）。通過(guò)調(diào)節(jié) PVP的用量，可以改變介孔碳（OMCs）的形貌和孔道結(jié)構(gòu)，分別得到2D六方孔有序介孔碳納米網(wǎng)絡(luò)（OMCNW-h）和有序介孔碳球（