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

1、進入二十一世紀以來，能源和環(huán)境問題日益突出，清潔能源的發(fā)展越來越引起人們的重視。新能源的存儲是首當其沖要面臨的問題。超級電容器和鋰離子電池作為新型儲能器件因具有能量密度高、可逆容量大、使用壽命長、無記憶效應(yīng)以及安全環(huán)保等優(yōu)點，被認為是很有前景的儲能裝置。由于電極材料是超級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。
　　四氧化三鐵（Fe3O4）作為一種比較有應(yīng)用潛力的鋰離

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

3、有較大的比表面積、多級的孔結(jié)構(gòu)、較好的導電性和孔徑可調(diào)等特點，是目前常用的超級電容器電極材料。通常，硬模板法是合成多級孔碳材料的常用方法，但是此方法合成過程較為復(fù)雜且需要用濕化學刻蝕方法將模板去除，這與綠色化學的合成理念相違背。此外，多級孔碳的形貌和孔結(jié)構(gòu)對其電化學性能具有不可忽略的影響，調(diào)節(jié)多級孔碳的形貌和孔結(jié)構(gòu)是優(yōu)化其性能的重要途徑。因此，本文通過簡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，其最高可逆容量達到1128.3 mAh/g。電流密度為2000 mA/g時，倍率容量保持在604.8 mAh/g

5、。經(jīng)過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更多的鋰離子。同時，多孔的梭形碳殼提高了鋰離子的傳輸速率及材料的導電性，并且為Fe3O4在充放電過程中的體積變化提供了充足的空間。這項工作對于高性能鋰離子電池負極材料的設(shè)計有很

6、大的參考價值。
　?。?）一步碳化制備多級孔中空梭形碳納米籠及其增強的超級電容器性能。
　　一步碳化過程制備了具有多級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，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，經(jīng)過1000個充放電循環(huán)后初始容量保持率高達98％。我們認為，梭形碳籠非球形的內(nèi)部空腔對其容量的增強起非常重要的作用。這項

7、工作為非球形中空膠囊的合成提供了一個新的途徑。
　?。?）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)導向劑，合成了3D立方孔有序介孔碳納米網(wǎng)絡(luò)（OMCNW-c）。通過調(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（