四氧化三铁/石墨烯复合材料的制备及其储锂性能和吸附性能的研究

摘要

近年来，粒径尺寸和形状可控的纳米粒子材料在基础科学和实际技术应用中得到了很大的关注，其中最典型的代表是合成新型纳米材料，用做锂离子电池负极材料以及污水处理材料。四氧化三铁虽然具备较高的理论比容量（926 mAh g-1），但是在脱嵌锂的过程中会产生较大的体积膨胀而降低电极材料的循环寿命，同时作为吸附材料时，也存在类似的缺陷。用石墨烯材料对其进行复合改性，可有效提高其结构的稳定性，并对其电化学性能和吸附性能均有一定的改善作用。
　　本文主要采用溶剂热法合成了分散均匀且粒径均一的多孔四氧化三铁纳米球，通过静电作用与石墨烯纳米片复合以及共价键作用下石墨烯柔性包覆等方法对其进行改性研究。并对其进行了电化学性能测试和对水溶液中Pb(II)的吸附性能测试。主要研究内容和成果如下：
　　1、通过简单的溶剂热反应制备出分散均匀且粒径均一的多孔四氧化三铁纳米球（p-Fe3O4），用烷基偶联剂（KH-550）在 p-Fe3O4表面修饰，形成正电性纳米颗粒，通过静电作用将这些正电性纳米颗粒与氧化石墨烯纳米片（GNSs）进行复合。研究结果表明：GNSs含量分别为10％、20%、30%的三种复合材料C-1、C-2、C-3，0.1 C（1C=926mA g-1）倍率下首次放电比容量分别为1210 mAh g-1、1236mAh g-1、1230 mAh g-1，经100次循环后放电比容量分别保持在670 mAh g-1、763 mAh g-1、713 mAh g-1。其中C-2在2C的倍率下放电比容量仍能保持在395mAh g-1，当电流密度回到0.1C时，放电比容量可重新回到821mAh g-1。因此，当GNSs与p-Fe3O4质量比为1:4时，合成的复合材料具有最佳的电化学性能。
　　2、先用正硅酸乙酯（TEOS）在p-Fe3O4表面包覆一层SiO2，再用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对p-Fe3O4@SiO2进行氨基化修饰，最后通过共价键的作用将氧化石墨烯（GO）柔性包覆在p-Fe3O4@SiO2前驱体上，合成一种新型复合材料。研究结果表明：p-Fe3O4-W-RGO在0.1~3 V电压范围，0.1 C倍率下，首次放电比容量为1246mAh g-1，在前50次左右的循环中放电比容量逐渐衰退到753mAh g-1，从第50次之后，材料的循环寿命曲线出现了逐渐的上升趋势，直到第100次循环，放电比容量重新回到793mAh g-1。p-Fe3O4-W-RGO样品在2 C的倍率下放电比容量仍能保持在478 mAh g-1，当电流密度回到0.1 C时，放电比容量可重新回到843mAh g-1。
　　3、通过共价键的作用制备了GO柔性包覆Fe3O4复合材料（GO-W-MC），并通过对合成反应中去离子水的含量、APTES的添加量和pH等条件的探究，优化了合成路线。通过测试GO-W-MC在不同pH、不同浓度和不同反应时间等因素下对水溶液中Pb(II)的吸附性能，得到最佳吸附实验条件。结果表明，所制备的复合材料在pH=6，Ce=160 mg/L，时间为480 min时，拥有最大Pb(II)吸附量225.6 mg/g。五次吸附解析循环后的吸附容量仍可保持在89%左右。这表明，该材料不仅可以去除水溶液中Pb(II)，而且不会产生二次污染，是一个很有发展前途的吸附材料。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池负极材料概述

1.4 四氧化三铁材料的研究进展

1.5 论文选题意义和研究内容

第二章 实验基本试剂及表征方法

2.1 实验药品及试剂

2.2 实验设备

2.3 材料物理表征方法

2.4 材料电化学性能测试

第三章 复合材料p-Fe3O4-GNSs的制备及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 复合材料p-Fe3O4-W-RGO的制备及其电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 复合材料GO-W-MC的制备及对Pb(II)离子的吸附性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

在校期间发表的学术论文与研究成果