一种用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球及其制备方法与流程

本发明属于电极材料技术领域，尤其涉及一种用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球及其制备方法。

背景技术：

氧化铁属于半导体，其导电能力较差，作为电极材料时，通常需加入导电剂，以提高电子在氧化铁纳米颗粒之间的传输。此外，也有通过氧化铁与碳材料或导电高分子材料复合的方式，来克服氧化铁材料导电能力差的问题。

目前，已合成的氧化铁与碳材料的复合材料多种多样，例如，专利cn103915633a合成了氧化铁与碳纤维复合材料，专利cn106449157a合成了氧化铁与石墨烯复合材料，专利cn103903873a合成了氧化铁与多壁碳纳米管/导电碳布的复合材料，专利cn105244484a合成了氧化铁与石墨烯-聚酰亚胺基碳气凝胶复合材料。

然而，上述氧化铁与碳材料的复合材料，普遍存在以下问题：(1)复合过程复杂且较难控制，材料的一致性较差，复合效率较低，合成周期长，成本高，很难实现批量生产制造；(2)加入的碳材料占比较大，而这些碳材料对于超级电容器的容量和能量密度的贡献很小，因而导致超级电容器整体的能量密度和容量变小，制约了氧化铁用于超级电容器的发展；(3)上述复合材料在制备电极时，成膜效果较差，易造成层与层之间接触阻抗的增加，使超级电容器的内阻增大；(4)上述复合材料中，氧化铁与碳材料的连接不紧密，经多次充放电循环后，氧化铁颗粒易从碳材料上脱落，造成电极导电性下降和电极材料的粉化。

因而，如何提供一种碳材料掺杂量小、复合过程简单且易控制，同时复合连接牢固且成膜性好的氧化铁与碳复合材料，是当前急需解决的一项技术问题。

技术实现要素：

本发明针对上述的技术问题，提出一种用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球及其制备方法，该制备方法步骤简单、可控性强、合成周期短，制备获得的碳掺杂氧化铁空心球的碳掺杂量低，氧化铁与碳材料连接紧密，且成膜性好。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取羧基修饰的聚苯乙烯微球；

步骤二、将微球分散于溶剂中，加入硝酸铁和均苯三甲酸，混合均匀，得反应液，在125℃下水热反应3h，离心收集微球并干燥；

步骤三、重复步骤二2～10次，得到mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球；

步骤四、将得到的mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球置于400℃下烧结30min，得到碳掺杂氧化铁空心球。

作为优选，步骤二的所述反应液中，微球的浓度为1.5～2g/ml，硝酸铁的浓度为0.025～0.05g/ml，均苯三甲酸的浓度为0.0067～0.01g/ml。

作为优选，步骤二中，用于分散微球的溶剂为去离子水。

作为优选，步骤一中，所述羧基修饰的聚苯乙烯微球的粒径为120～800nm。

作为优选，步骤四中，烧结时以2℃/min的升温速率进行升温。

本发明还提供了利用上述任一项技术方案所述的制备方法制备得到的用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提供的用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球的制备方法，以羧基修饰的聚苯乙烯微球为模板，在其表面包覆mil-100(fe)有机骨架，高温烧结后获得碳掺杂氧化铁空心球，制备过程简单，通过控制包覆次数即可控制mil-100(fe)有机骨架的包覆厚度，易于控制，合成周期短，成本低廉；

2、本发明制备获得的碳掺杂氧化铁空心球尺寸均一，在制备电极时成膜效果好，球与球之间连接紧密，电子传输阻力小，减小了超级电容器的内阻；

3、本发明制备获得的碳掺杂氧化铁空心球中，由于掺杂碳来源于mil-100(fe)有机骨架，掺杂碳与氧化铁连接紧密，而氧化铁晶粒通过高温烧结在一起，因而，氧化铁不易从表面脱落，同时，碳掺杂均匀，使空心球不同区域的导电能力一致；

4、本发明制备获得的碳掺杂氧化铁空心球中，碳掺杂量小，作为超级电容器的电极材料，对超级电容器整体的能量密度和功率密度影响较小；

5、本发明制备获得的碳掺杂氧化铁空心球具有空心结构，作为超级电容器的电极材料，能有效缓解氧化铁在充放电过程中产生的体积变化，保持了整体结构的稳定性，不会造成球体结构的坍塌，抑制了电极材料粉化的发生。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的碳掺杂氧化铁空心球的透射电镜图；

图2为本发明实施例1进行三次步骤二后收集的微球的透射电镜图；

图3为仅进行一次步骤二时收集的微球的透射电镜图；

图4为重复步骤二12次后收集的微球的透射电镜图；

图5为本发明实施例1所提供的碳掺杂氧化铁空心球制作电极时成膜后的扫描电镜图；

图6为本发明实施例1所提供的碳掺杂氧化铁空心球以及商用氧化铁粒子作为超级电容器电极材料时在循环100次前后的交流阻抗图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取羧基修饰的聚苯乙烯微球。

在本步骤中，需要说明的是，羧基修饰的聚苯乙烯微球可采用本领域的现有方法合成，例如：按照文献《researchonfabricationandself-assemblyofcarboxylfunctionalizedpolystyrenemicrospheres》(lijie,mazhen-xiong,wangjinquan,etal.nano-processingtechnique,2013,10(1),50-52)所报道的方法合成，具体合成步骤在此不做赘述。此外，本步骤中也可采用市售羧基修饰的聚苯乙烯微球，例如：购买自西安凯新生物科技有限公司、上海羧菲生物医药科技有限公司等公司。

步骤二、将微球分散于溶剂中，加入硝酸铁和均苯三甲酸，混合均匀，得反应液，在125℃下水热反应3h，离心收集微球并干燥。

在本步骤中，需要说明的是，由于聚苯乙烯微球的表面含大量的羧基，该官能团能够与反应液中的fe³⁺形成络合物，在125℃下水热反应时，均苯三甲酸的三个羧基分别与聚苯乙烯微球表面的fe成键，形成mil-100(fe)晶体的空间骨架，并形成晶核，作为下一步晶体长大的基础；其中，mil-100(fe)是一种金属有机骨架。还需要说明的是，为了使微球分散均匀，可采用超声分散的方式，本领域技术人员可根据分散情况具体选择合适的超声功率和时间，以保证分散均匀为准。此外，水热反应需在水热釜中密封进行，采用的水热釜可以为带有聚四氟衬里的不锈钢反应釜。离心收集微球时，需用乙醇和水交替洗涤至少3次，以洗去粘附的未反应物。

步骤三、重复步骤二2～10次，得到mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球。

在本步骤中，需要说明的是，在每次重复步骤二时，mil-100(fe)以已形成的晶核为基础长大，当重复2～10次后，可在聚苯乙烯微球表面均匀包覆mil-100(fe)，重复次数过少时，无法形成完整的mil-100(fe)包覆层，重复次数过多时，则会产生大颗粒的晶粒，使包覆不均匀而且易脱落。

步骤四、将得到的mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球置于400℃下烧结30min，得到碳掺杂氧化铁空心球。

在本步骤中，在400℃烧结时，内部的聚苯乙烯微球完全被除去，mil-100(fe)经烧结形成氧化铁空心球，同时，mil-100(fe)在烧结残留少量碳掺杂在氧化铁空心球中。

作为优选，步骤二的所述反应液中，微球的浓度为1.5～2g/ml，硝酸铁的浓度为0.025～0.05g/ml，均苯三甲酸的浓度为0.0067～0.01g/ml。本优选实施例进一步限定了水热反应时各反应物的优选浓度配比，此优选浓度配比有利于mil-100(fe)在微球表面的层层生长，并保证晶粒的尺寸均匀。

作为优选，步骤二中，用于分散微球的溶剂为去离子水。去离子水既能有效分散聚苯乙烯微球，又是步骤二中水热反应的良好溶剂。可以理解的是，本领域技术人员也可采用其他溶剂，只要保证能够有效分散微球且不影响水热反应即可。

作为优选，步骤一中，所述羧基修饰的聚苯乙烯微球的粒径为120～800nm。由于羧基修饰的聚苯乙烯微球过大或过小均不利于mil-100(fe)层的包覆，因而，本优选实施例中进一步限定了羧基修饰的聚苯乙烯微球的优选粒径范围。

作为优选，步骤四中，烧结时以2℃/min的升温速率进行升温。本优选实施例进一步限定了烧结时的优选升温速率，以2℃/min升温，既能够避免因升温过快造成结构坍塌，又能够尽可能节约能量。

本发明实施例还提供了一种利用上述任一项实施例所述的制备方法制备得到的用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球。该碳掺杂氧化铁空心球的尺寸均一，在制备电极时成膜效果好，球与球之间连接紧密，电子传输阻力小，减小了超级电容器的内阻。同时，该碳掺杂氧化铁空心球中，掺杂碳与氧化铁连接紧密，氧化铁不易从表面脱落，碳掺杂均匀，使空心球不同区域的导电能力一致，碳掺杂量小，作为超级电容器的电极材料，对超级电容器整体的能量密度和功率密度影响较小。此外，该碳掺杂氧化铁空心球具有空心结构，作为超级电容器的电极材料，能有效缓解氧化铁在充放电过程中产生的体积变化，保持了整体结构的稳定性，不会造成球体结构的坍塌，抑制了电极材料粉化的发生。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的用于超级电容器的碳掺杂氧化铁空心球及其制备方法，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

步骤一、取粒径为120nm的羧基修饰的聚苯乙烯微球；

步骤二、将微球分散于去离子水，加入硝酸铁和均苯三甲酸，混合均匀，得反应液，其中，微球的浓度为1.5g/ml，硝酸铁的浓度为0.025g/ml，均苯三甲酸的浓度为0.0067g/ml，置于水热釜中密封，在125℃下水热反应3h，自然冷却至室温，离心收集微球并干燥；

步骤三、重复步骤二2次，得到mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球；

步骤四、将得到的mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球置于马弗炉中，以2℃/min的升温速率升温至400℃，烧结30min，自然冷却至室温，得到碳掺杂氧化铁空心球。

实施例2

步骤一、取粒径为450nm的羧基修饰的聚苯乙烯微球；

步骤二、将微球分散于去离子水中，加入硝酸铁和均苯三甲酸，混合均匀，得反应液，其中，微球的浓度为1.75g/ml，硝酸铁的浓度为0.038g/ml，均苯三甲酸的浓度为0.0084g/ml，置于水热釜中密封，在125℃下水热反应3h，自然冷却至室温，离心收集微球并干燥；

步骤三、重复步骤二6次，得到mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球；

步骤四、将得到的mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球置于马弗炉中，以2℃/min的升温速率升温至400℃，烧结30min，自然冷却至室温，得到碳掺杂氧化铁空心球。

实施例3

步骤一、取粒径为800nm的羧基修饰的聚苯乙烯微球；

步骤二、将微球分散于去离子水中，加入硝酸铁和均苯三甲酸，混合均匀，得反应液，其中，微球的浓度为2g/ml，硝酸铁的浓度为0.05g/ml，均苯三甲酸的浓度为0.01g/ml，置于水热釜中密封，在125℃下水热反应3h，自然冷却至室温，离心收集微球并干燥；

步骤三、重复步骤二10次，得到mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球；

步骤四、将得到的mil-100(fe)包覆聚苯乙烯微球置于马弗炉中，以2℃/min的升温速率升温至400℃，烧结30min，自然冷却至室温，得到碳掺杂氧化铁空心球。

结构表征

利用透射电镜对实施例1-3获得的碳掺杂氧化铁空心球的形貌进行表征，结果表明：实施例1-3获得的碳掺杂氧化铁空心球尺寸均一且具有空心结构(实施例1获得的碳掺杂氧化铁空心球的透射电镜图如图1所示)。

为了说明步骤二的重复次数对获得碳掺杂氧化铁空心球的影响，利用透射电镜对仅进行一次步骤二、进行三次步骤二(即实施例1)以及进行12次步骤二后收集的微球进行形貌表征，结果如图2-图4所示。通过对比图2-图4可见，当仅进行一次步骤二时，羧基修饰的聚苯乙烯微球的表面仅有少量的mil-100(fe)晶粒；当进行三次步骤二时，羧基修饰的聚苯乙烯微球的表面包覆有尺寸均匀的mil-100(fe)晶粒；当进行12次步骤二时，包覆在羧基修饰的聚苯乙烯微球表面的mil-100(fe)晶粒较大，且尺寸不均匀。

采用实施例1获得的碳掺杂氧化铁空心球制作超级电容器的电极材料，利用扫描电镜对成膜后的材料的形貌进行表征，如图5所示。由图5可见，碳掺杂氧化铁空心球呈六方密堆积结构，该结构使得球体之间的排列最紧密，使得面密度达到最大化，有利于减小电子传输阻力，降低超级电容器的内阻。

阻抗测试

以实施例1获得的碳掺杂氧化铁空心球材料，以及商用氧化铁纳米粒子，作为超级电容器电极材料，测定其100次循环前后的交流阻抗，测试结果如图6所示。由图6可见，采用商用氧化铁纳米粒子制作的电极，初始阻抗约为150ω，100次循环后，阻抗增加到约200ω；而采用实施例1获得的碳掺杂氧化铁空心球材料制作的电极，初始阻抗约为80ω，100次循环后，阻抗基本不变。由此说明，本发明实施例制备的碳掺杂氧化铁空心球具有的空心结构能够有效缓解氧化铁在充放电过程中产生的体积变化，保持结构的稳定性。