四氧化三铁/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其微波吸收性能和锂电性能研究

摘要

Fe3O4/还原氧化石墨烯(r-GO)复合材料因其优越的电化学、磁学等性能在吸波材料、磁性材料、锂离子电池负极材料、催化材料等方面具有广泛的应用前景。本文通过溶剂热法分别制备出了不同形貌的Fe3O4纳米颗粒以及Fe3O4/r-GO复合材料，分别采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X-射线衍射(XRD)、Raman光谱等手段对产物的形貌及结构进行了分析，并初步探讨了复合材料中Fe3O4纳米颗粒以及Fe3O4空心半球在r-GO表面的生长机理。此外，我们还对Fe3O4纳米颗粒和空心球、Fe3O4纳米颗粒/r-GO复合材料、Fe3O4空心半球/r-GO复合材料在吸波材料和锂离子电池负极材料上的应用进行了研究，并探讨了该复合材料性能受其形貌的影响。
　　 主要工作内容如下：
　　 一.采用溶剂热法，在乙二醇和N，N-二甲基甲酰胺混合溶剂体系中，合成了Fe3O4纳米颗粒和Fe3O4纳米颗粒/r-GO复合材料。SEM和TEM表征结果显示Fe3O4纳米颗粒平均粒径为60 nm，颗粒团聚比较严重；而复合材料中Fe3O4纳米颗粒平均粒径为20 nm，且比较均匀地分散在r-GO表面，这说明r-GO对纳米颗粒的团聚起到了一定的抑制作用。对材料的充放电循环性能的研究结果表明，与Fe3O4纳米颗粒相比，Fe3O4/r-GO复合材料具有较高的充放电比容量和良好的循环稳定性。
　　 二.采用溶剂热法在乙二醇体系中以P123为软模板制备了Fe3O4空心球。通过SEM和TEM对制备的材料进行了表征，结果表明空心结构颗粒粒径分布在200～600 nm之间，是由尺寸为几十纳米的小颗粒组装形成的，且表面都比较粗糙。同时在上述体系中加入氧化石墨(GO)并以其为Fe3O4颗粒生长基质，制备出了Fe3O4空心半球/r-GO复合材料，研究了反应物的配比、反应时间以及反应温度对Fe3O4空心半球形貌的影响，并初步探讨了复合材料中Fe3O4空心半球在r-GO表面的生长机理。
　　 三.r-GO的质量比较轻，电导率也比较高，同时其表面带有羟基、羧基、羰基和环氧基等含氧基团，可以产生缺陷极化和电子偶极子弛豫等现象，因此有利于电磁波的吸收和衰减。将Fe3O4与r-GO复合后，使复合材料兼具介电损耗和磁损耗，有利于实现阻抗匹配；另外导电碳材料的反射损耗位于低频范围(8～12GHz)，而Fe3O4纳米材料的反射损耗一般发生于较高的频率范围，因此两种材料的复合还有利于吸波频带的拓宽。研究结果表明，在2-18 GHz频率范围内，当Fe3O4空心半球/r-GO复合材料的质量分数为30％，厚度为2.0 mm时，复合材料在频率为12.9 GHz具有最大的反射损耗值为24 dB，反射损耗值在-10 dB以下的吸波宽度达到了4.9 GHz，吸波频率范围为10.8-15.7 GHz。相比于纯r-GO、Fe3O4空心球和实心Fe3O4/r-GO复合材料，Fe3O4空心半球/r-GO复合材料不仅增加了微波吸收损耗，而且也拓宽了有效吸收频带。
　　 四.研究了Fe3O4空心球和Fe3O4空心半球/r-GO复合材料的充放电循环性能，复合材料的首次放电容量为1658 mAh/g，首次不可逆容量的损失率为23％，55次充放电循环后的容量为940 mAh/g，相对于第二次的放电比容量，容量保持率为78％。结果表明相对于Fe3O4纳米颗粒及空心球、Fe3O4纳米颗粒/r-GO复合材料，Fe3O4空心半球/r-GO复合材料表现出了较高的比容量，良好的循环稳定性以及倍率性能。