论文部分内容阅读
随着能源危机和环境污染问题日益严重,开发绿色、廉价、无毒、高效、可持续的新能源已成为当前研究的热点。近年,铁基纳米材料在新能源体系应用研究中备受青睐。与钴、钒、锰等元素相比,铁无明显毒理作用,且原料价格十分低廉。更重要的是,铁基纳米材料无论应用在锂/钠离子电池还是水性电池上,其储能容量等方面具备较大的优势。然而,不幸的是,电化学储能过程中的多电子氧化还原反应易造成铁基纳米颗粒的相转变和结构粉碎,使其循环寿命远达不到实际应用要求。如何合理地设计和构造出长寿命、低成本且高安全性的铁基电极材料已成为当前科学与应用研究的巨大挑战。本论文主要采用原位演化的方法将FeF3、Fe、Fe2F5纳米颗粒巧妙限制在碳微反应器内部,并深入研究该微反应器对铁基纳米电极储能性能的提升作用。研究内容包括如下:1.我们利用废铁锈为原料,采用酸溶解和水热反应处理,得到平均粒径为30nm的Fe2O3纳米球。而后,采用乙二醇（而非昂贵的乙炔等气体）作为碳源和还原剂,在氩气保护下对Fe2O3纳米球进行CVD反应处理,得到了Fe3O4@碳纳米球核壳复合结构（碳层厚度:10-20 nm）。接着,采用低温气相法对Fe3O4@碳进行原位氟化处理,获得直径约为60 nm的FeF3@碳微反应器复合物。当作为锂离子电池的正极时,FeF3@碳纳米复合物在电流密度为0.1 A/g下经600次循环测试后,其放电比容量仍高达260.8 mAh g-1(纯的FeF3经170次循环后放电比容量仅剩余70 mAh g-1)。FeF3电化学储能性质的较大提升归因于碳微反应器的协同作用。导电性较好的碳微反应器能把FeF3纳米颗粒牢牢限制在了碳层内部,从而有效防止活性纳米颗粒的团聚,缓解其体积膨胀效应,并提高了体系的电化学反应速率。2.我们继续利用废铁锈合成的氧化铁纳米颗粒为原料,以廉价的乙醇为碳源,通过CVD方法原位合成了Fe@C核壳结构纳米复合物,并系统研究其用作镍铁水性电池负极材料的储能特性。结果表明,Fe@C纳米复合材料具有优异的能量存储性能,这主要归功于如下两个因素:首先,相比于传统的氧化铁和四氧化三铁,铁单质有着优越的电化学活性和较高的理论比容量;其次,在OH-的脱插过程中,碳壳能够通过石墨层的滑移,作为自调节的微反应器来限制铁的体积膨胀,从而实现了高容量、持久性的水性电池负极材料的制备。3.首先,通过液相法合成了（NH4）3FeF6纳米前驱体颗粒。随后在氩气保护下,采用廉价的乙醇和乙二醇的混合物作为碳源,与（NH4）3FeF6前驱物进行化学气相沉积（CVD）反应。在CVD演化过程中,（NH4）3FeF6分解还原为Fe2F5,同时碳层均匀沉积在Fe2F5纳米颗粒表面,形成的蛋黄状“Fe2F5@碳纳米袋”中空复合纳米结构。该纳米结构具备较大的体表比属性,使电极与电解液能够充分接触,确保了体系的电化学反应速率。尝试用作碱性电池负极,Fe2F5@碳微反应器能实现较高的比容量、优越的倍率性能及较好的循环耐久性。另外,我们采用α-Co（OH）2纳米线阵列为对电极（正极）组装了全电池并进行了储能特性研究。该电池展现出较高的能量密度和功率密度,其数值高达163 Wh kg-1和14.2 kW kg-1。