独立的氧化铁纳米线/石墨烯复合薄膜的制备及其钠存储开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着人类生活水平的提高，能源问题日益凸显出来，不可再生能源的消耗殆尽，环境问题的严重恶化，都使得研发出新型高效可持续的能源供应体系成为科研领域的重中之重。锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命等特点被广泛运用于便携式移动电子设备、纯电力或混合动力汽车以及智能电网。近期，可充电钠离子电池因钠在地球储量充裕、成本低及环境友好等备受关注^[1-5]。钠的电化学特性与锂相似，钠离子电池的电化学反应机理也与锂离子电池相似。钠离子的半径 (97 pm)约是锂离子(68 pm)的1.43倍，目前商业化的锂离子电池普遍采用石墨作为负极材料，其层间距较小，无法高效地进行钠离子的嵌入和脱出。若基于嵌入反应，体积较大的钠离子在晶格通道中的扩散速率相对锂离子较慢，同时钠离子嵌入和脱出对电极材料晶格结构破坏更大。比较之下，钠离子电池负极材料被提议采用合金化反应和转换反应进行储钠^[6]。fe₂o₃因其储量丰富、廉价、高理论比容量(≈1007 mah/g)及无毒等特性，被认为是一种非常有潜力的钠离子电池负极材料^[7,8]。

fe₂o₃材料在钠离子嵌入的过程中材料体积急剧膨胀，造成不可逆破坏及粉化团聚，导致电极材料的容量和循环稳定性降低^[9,10]。为解决转换反应伴随的问题，fe₂o₃被设计和合成出众多低维结构及表面包覆导电碳层的结构。低维结构尽管能缓解循环过程中体积膨胀产生的应力，缩短离子扩散路径，但又会导致新问题的出现，比如振实密度低，高的表面能引起的团聚，颗粒间大的接触电阻造成材料的整体导电性相对于块体材料差等问题。石墨烯是一种高导电性和机械强度的二维材料^[11,12]。fe₂o₃通过与石墨烯复合有望解决材料的电子电导率低和离子扩散速率慢的问题，在充放电的过程中缓冲电极材料体积膨胀产生的应力，抑制本体材料的结构破坏 ^[11,13]。鉴于此，我们拟定设计一种类似三明治结构的氧化铁纳米线/石墨烯薄膜结构。这种薄膜结构中氧化铁纳米线能分隔相邻的石墨烯片，形成开放的层状离子孔道，同时氧化铁纳米线与石墨烯片紧密贴合形成高度有序的层堆叠三维结构，提高材料的电子传输和离子扩散^[14,15]。这种结构的设计可显著提升氧化铁材料在充放电循环过程中的循环稳定性和倍率性能^[16]。此外，这种独立的氧化铁/石墨烯薄膜可直接作为钠离子电池电极片投入使用，无需加入导电添加剂(如乙炔黑)和粘结剂(如pvdf)。pvdf的使用会降低电极材料的导电性，阻碍电子传输和离子的扩散。无粘结剂的独立的氧化铁/石墨烯薄膜复合材料的电化学特性和反应机制能被更好地反映。在具体实施中，首先采用水热法制备氮川三乙酸铁前驱体，后与氧化石墨烯复合，经过焙烧制备出氧化铁纳米线/石墨烯薄膜；然后对其进行详细的结构表征；继而组装成扣式钠离子电池，对其进行电化学性能测试，探究其结构与性能间的相关性。

本设计采用一种简单有效的方法构筑纳米复合薄膜材料作为钠离子电池高电化学性能的负极材料。此方法具有普适性，具有推广应用的潜力，为获得高能量和高功率的钠离子电池负极材料奠定一定的科学基础。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：以氮川三乙酸铁作为氧化铁前驱体，与氧化石墨烯复合、抽滤制备复合材料薄膜；通过在氮气等惰性气体中焙烧将氮川三乙酸铁转化为铁氧化物。

材料表征：对独立的氧化铁纳米线/石墨烯复合薄膜进行结构表征和电化学性能测试，通过xrd、n₂吸/脱附、tem、sem、xps、红外等表征手段对其形貌结构及元素构成进行分析，采用循环伏安(cv)、恒流充放电(et)等电化学测试技术对其电化学性能进行系统评估。

2.2 研究目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周：按照设计方案，制备独立的氧化铁纳米线/石墨烯复合薄膜复合材料。

第8－12周：采用xrd、fe-sem、tg-dsc、cv等测试技术对复合材料的物相、显微结构、电化学性能进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] yabuuchi n., kajiyama m., iwatate j., et al. p2-type na_x[fe_1/2mn_1/2]o₂ made from earth-abundant elements for rechargeable na batteries [j]. nat. mater., 2012, 11(6): 512-517.

[2] zhu c., mu x., van aken p. a., et al. single-layered ultrasmall nanoplates of mos₂ embedded in carbon nanofibers with excellent electrochemical performance for lithium and sodium storage [j]. angew. chem. int. edit., 2014, 53(8): 2152-2156.

[3] wang s., wang l., zhu z., et al. all organic sodium-ion batteries with na₄c₈h₂o₆ [j]. angew. chem. int. edit., 2014, 53(23): 5892-5896.

[4] senguttuvan p., rousse g., arroyo y de dompablo m. e., et al. low-potential sodium insertion in a nasicon-type structure through the ti (iii)/ti (ii) redox couple [j]. j. am. chem. soc., 2013, 135(10): 3897-3903.