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《北京科技大学》 2018年
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纳米铁及其氧化物材料的制备与性能研究

王炫力  
【摘要】:铁是地壳中含量最丰富的金属元素之一,纳米结构的铁及其氧化物由于具有纳米效应,展现出许多奇异的特性,拥有较大的发展潜力和广阔的应用空间。然而,目前纳米铁及其氧化物的制备方法大多存在着工艺复杂、成本高、产量低等问题。溶液燃烧合成法是近年来快速发展起来的一种制备纳米材料的新方法,具有简单快捷、节能省时、成本低廉等优点。因此,本论文将溶液燃烧合成法应用于纳米铁及其氧化物的制备中,通过对原料配比、燃烧气氛、热处理参数的调控,成功制备出了纳米α-Fe2O3、Fe3O4、无定形态铁氧化物与碳复合物以及铁碳复合材料,实现了对产物组分、形貌、粒度、相态的控制,优化出最佳工艺参数,使产物具有优异的电化学和电催化性质,在锂离子电池负极材料、燃料电池阴极催化剂等领域具有很好的应用前景,论文的主要工作包括以下几个方面:(1)以硝酸铁为铁源和氧化剂、甘氨酸为燃料和还原剂,通过设计简易的实验装置,合理地控制燃烧反应气氛,利用溶液燃烧合成法一步制备出纳米α-Fe2O3和Fe3O4材料,分别研究了富氧和贫氧条件下甘氨酸含量对溶液燃烧反应机制的影响。结果表明:参与燃烧反应的氧气越少、甘氨酸含量越多,反应模式越趋向于体积燃烧(VCS)→蔓延燃烧(SHS)→发烟燃烧(SCS)的转变过程,且反应时间有所延长。在此基础上,通过调节甘氨酸含量和燃烧反应气氛,成功制备出无定形态的α-Fe2O3纳米棒、晶态结构的α-Fe2O3纳米片、α-Fe2O3/Fe3O4纳米片、α-Fe2O3/Fe3O4纳米颗粒、单相Fe3O4纳米颗粒、纳米Fe3O4/FeO复合颗粒和无定形态铁氧化物与碳复合纳米片材料。测试这些产物作为锂离子电池负极材料时的电化学性能发现,无定形态铁氧化物与碳复合纳米片具有最好的循环稳定性,在1Ag-1的电流密度下循环500次,可逆比容量始终保持在~450 mAh g-1。(2)为了进一步提高无定形态铁氧化物与碳复合纳米片的电化学性能,在硝酸铁-甘氨酸反应体系中加入水溶性葡萄糖作为有机碳源,对其组分相态和结构形貌进行优化。研究发现,体系中葡萄糖含量越多,硝酸铁与甘氨酸的燃烧反应程度越弱,产物的无定形态程度加深,纳米片厚度逐渐减小,表面的孔隙率降低,孔径分布越来越离散。当纳米片厚度在3 nm左右时,其表面为形状尺寸均匀的球泡结构,这种具有3D泡沫状分级介孔结构的无定形态铁氧化物与碳复合纳米片作为锂离子电池负极材料时,具有高的可逆比容量和良好的循环稳定性,在1Ag-1的电流密度下循环500次,可逆比容量能够达到1118mAhg-1,该数据优于目前的商用石墨负极材料。(3)以上述无定形态铁氧化物与碳复合纳米片为前驱体,通过碳热还原法在较低温度下制备出纳米铁碳复合材料,研究了葡萄糖添加量和碳热还原温度对产物组分相态的影响,发现随着碳热还原温度的升高,还原产物的物相经历了 Fe3O4→Fe→Fe3C的变化,并且葡萄糖量越多,这种变化趋势越快。在此基础上,向原料中进一步加入氯化钠和氯化锌作为造孔剂,通过控制反应气氛和硝酸铁添加量,利用溶液燃烧合成法在NH3气氛中一步制备出含有Na+和Zn2+的纳米FeOx-C-N复合物,然后将该复合物作为前驱体在氮氢混合气氛中进行碳热还原和氢还原反应,最后依次经过过氧化氢溶液和去离子水的清洗,得到比表面积为478.57 m2 g-1的分级多孔Fe@C-N纳米片材料。该产物作为ORR催化剂展现出十分优异的电催化活性、循环稳定性和抗甲醇中毒能力,相比于商用Pt/C催化剂,其起始电位和半波电位均正移了~30 mV,极限电流密度也增大了~0.4 mV cm2,并且经过20000 s的催化测试和甲醇干扰后,依然能够保持稳定的电流响应,该数据优于目前文献中报道的一些非贵金属ORR催化剂以及商用Pt/C催化剂。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O643.36;TB383.1

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