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柔性3D石墨烯/介孔Fe2O3气凝胶

柔性3D石墨烯/介孔Fe2O3气凝胶

近些年,通过控制金属氧化物的形貌和结构来提高金属氧化物电化学性能的研究比比皆是。在众多被研究的结构形貌中,介孔结构的金属氧化物因具有大的比表面积和高孔隙率,深受研究人员的喜爱。此外,与碳材料复合后可提高材料的电子转移速度和减少材料在充放电过程中的团聚,从而提高复合材料的电化学性能和结构稳定性

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图1合成3DG/Fe2O3的简明示意图


近期,复旦大学徐宇曦课题组的研究人员,利用普鲁士蓝做介孔Fe2O3的前驱体,合成出具有超高电化学性能的柔性3D石墨烯(3DG)/Fe2O3气凝胶。重要的是这种柔性材料直接作为锂离子电池的负极,不需要粘结剂和导电剂,且表现出超高的比容量和高倍率循环性能。成果发表在ACS Nano(IF:13.334)

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图2 (a,b) 3GO/PB复合物的SEM (c,d) 3DG/PB的SEM (e,f) 3DG/PB的TEM

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图3 3DG/Fe2O3的微观结构形貌,(a,b) SEM (c) TEM (d) HRTEM (e) SADE (f,g,h) 元素分布图


3DG/Fe2O3在电流密度为0.2A/g的充放电条件下,首次放电比容量高达1870.4mAh/g,充电比容量高达1174.4mAh/g,首次库伦效率达到62.8%;循环5次后放电比容量为1135.2mAh/g,库伦效率回升到97%;循环130次,放电比容量仍旧保持为1129mAh/g。倍率性能也相当不错,在0.2、0.5、1、2和5A/g表现出的可逆比容量分别为1056.5、996.6、903.4、761.9和534.2mAh/g。另外3DG/Fe2O35A/g的电流密度下循环1200次可逆容量为523.5mAh/g,容量保持率高达98%

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图4 3DG/Fe2O3的电化学性能,(a) 在0.2A/g的电流密度下的充放电曲线 (b) 3DG/Fe2O3和Fe2O3在0.2A/g的电流密度下的循环性能 (c) 3DG/Fe2O3和Fe2O3的倍率性能 (d) 5A/g的电流密度下的循环性能


材料具有如此优良的电化学性能,作者给出的解释是介孔的Fe2O3纳米框架与结构稳定导电性优越的石墨烯紧密结合,既提供了高效电荷转移的网络结构,又为充放电过程产生的体积变化提供有效的缓冲,保持了结构的完整性


实验过程

3DG/PB复合物合成:0.15mL 0.5mol/L的K4[Fe(CN)6]·3H2O分散到1ml 2mg/mL的GO中,然后在10000转/min的转速下离心15min,去除上层清液加入1mL去离子水。然后加入0.15mL 0.5mol/L的FeCl3·6H2O,溶液变为蓝色,在7000转/min的转速下离心15min,一出上层清夜得到GO/PB。0.1mL 88mg/mL的维他命C加入到GO/PB中,加去离子水至2mL,转移到5mL的瓶子里密封,在95℃保持2h,得到3DG/PB复合物。

3DG/Fe2O3复合物合成:3DG/PB复合物在250℃在空气中煅烧2h,得到3DG/Fe2O3复合物。


参考文献

Tiancai Jiang, Fanxing Bu, Xiaoxiang Feng, Imran Shakir, Guolin Hao, Yuxi Xu, Porous Fe2O3Nanoframeworks Encapsulated within Three-Dimensional Graphene as High-Performance Flexible Anode for Lithium-Ion Battery, ACS Nano, 2017, DOI:10.1021/acsnano.7b02198


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