高热稳定性α-氧化铁的宏量制备及其电化学性能研究.docx

? ? 高热稳定性α-氧化铁的宏量制备及其电化学性能研究 ? ? 路 正,陈昆峰,薛冬峰 （1.山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南 250100；2.中国科学院深圳先进技术研究院,多尺度晶体材料研究中心；3.中国科学院深圳理工大学） 赤铁矿（α-Fe2O3）作为一种n型半导体[1],具有2.2 eV的低带隙、无毒、高耐腐蚀性和可见光吸收等特点[2],被广泛应用于染料、传感器、废水处理和锂离子电池等领域[3-6],并且长期以来被认为是一种有前途的光催化剂[7-8]。由于氧化铁广泛的应用前景,研究人员合成了棒状[9-10]、线状[11-12]、鼓状[13]、花状[14]、管状[15]及片状[16-17]等颗粒状的α-Fe2O3。其中,片状α-Fe2O3具有独特的性质,探究如何对其进行设计使之成为具有特殊物理和化学效应的功能材料已经成为人们深入研究的课题。云母结构的六边形片状α-Fe2O3晶体具有高反射率、高折射率、高取向性等特点,并且片状α-Fe2O3晶体有深黑色、淡红色、棕色和灰色等多种色调,常被用作油漆、染料、塑料以及化妆品等的添加剂。当今世界全球变暖、海平面上升、冰川融化,碳中和已经成为全球的共识,锂电池在中国实现“双碳”的国家战略中具有重要的地位,过渡金属氧化物由于具有较高的理论比容量、丰富的资源和较低的成本被认为是最具潜力的负极材料之一。α-Fe2O3由于其较高的比容量,近些年来受到广泛关注。 WANG等[18]通过对Fe（OH）xOy进行水热处理合成了各种形状（片状、多面体、假立方体和花生状）的α-Fe2O3颗粒,其表观颜色随着其颗粒大小和形状的变化而变化,拉曼光谱表征结果表明α-Fe2O3颗粒的振动频率随着其颗粒尺寸的减小而减小。HANG等[19]通过水热法制备了不同形状和尺寸的α-Fe2O3材料,研究了α-Fe2O3颗粒的结构和形貌对其电化学特性的影响,结果表明氧化铁颗粒的形状显著影响α-Fe2O3/C复合电极的氧化还原反应速率和放电容量,其中立方形状的α-Fe2O3表现出最高的放电容量。MANSOUR等[20]分别在水中和多元醇中沉淀制得不同尺寸的α-Fe2O3纳米粒子,发现在水中沉淀合成样品的平均颗粒尺寸约为36 nm,在多元醇中合成样品的平均颗粒尺寸约为54 nm。此外,光学性质测试结果表明在水中沉淀合成的α-Fe2O3带隙能量（2.07 eV）高于在多元醇中合成的α-Fe2O3带隙能量（1.97 eV）。ZENG等[21]采用无模板水热法合成了直径约为30 nm、长度可达500 nm的均匀α-Fe2O3介孔材料,并且研究了带隙、放电容量与α-Fe2O3纳米棒尺寸的关系。HUANG等[22]重点研究了不同结构氧化铁的电化学性质,如赤铁矿（α-Fe2O3）、四方纤铁矿（β-FeOOH）、具有独特结构的Fe2O3·2FeOOH·2.6H2O以及不同晶体尺寸和形态的高铁酸盐。电化学测试结果表明,纳米级尺寸的赤铁矿通常比微米级尺寸的赤铁矿具有更高的容量；在不同的晶体结构中,赤铁矿和四方纤铁矿都优于高铁酸盐,尽管后者的晶体尺寸最小。 目前已有通过调整FeCl3溶液与NaOH溶液的混合工艺获得不同尺寸α-Fe2O3的报道[23],但是对于通过不同混合工艺获得片状α-Fe2O3的电化学性能、表观颜色与粒子大小的关系的研究还存在不足。笔者研究了片状α-Fe2O3的合成条件与电化学储锂及表观颜色之间的关系,以助于发掘α-Fe2O3在电化学、陶瓷釉料和颜料等方面的应用潜力。 1 实验部分 1.1 试剂与仪器 试剂:六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O,AR）,氢氧化钠（NaOH,AR）,无水乙醇（CH3CH2OH,AR）,聚偏氟乙烯（PVDF,AR）,N-甲基吡咯烷酮（NMP,AR）,金属锂（Li,纯度为99.9%）。 仪器:CHI660E型电化学工作站；CT3001A型充放电仪；Smart Lab 9KW型X射线衍射仪（XRD）；JSM-6700F型扫描电子显微镜（SEM）；岛津UV2600型紫外-可见分光光度计；岛津IRAffinity-1S型红外光谱仪（FT-IR）。 1.2 实验方法 分别配制2 mol/L的FeCl3·6H2O溶液和6、8、12 mol/L的NaOH溶液。将50 mL浓度为2 mol/L FeCl3·6H2O溶液滴加至50 mL正在充分搅拌的NaOH溶液中（称为R-mixing）；将50 mL NaOH溶液滴加至50 mL正在充分搅拌的FeCl3·6H2O溶液中（称为N-mixing）。将上述混合溶液继续搅拌20min,然后加入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入预热至180℃的保温箱中水热处理2 h。水热反应结束后,待产物自然冷却至室温后离心分离,移出上清液,将沉淀物分别用去离子水和无