Page 155 - 精细化工2020年第2期

第 2 期 吴启超，等: 两步法合成交联碳/氮双掺杂 Fe 3 O 4 锂离子阳极材料 ·357·

子传导性能 [16] ；最后，碳掺杂有助于在 Fe 3 O 4 表面 交联状 Fe 3 O 4 /C/N。
上形成稳定的固体电解质（SEI）膜 [17-18] 。此外，氮 1.3 测试方法
掺杂的碳材料展现出更高的比容量和优异的循环稳 1.3.1 X 射线衍射（XRD）
定性 [19-22] 。氮的引入能够为锂离子提供大量有利的 使用 Cu 靶 K α 辐射源（λ = 0.15406 nm，40 kV，
活性位点，提高电池的反应效率，因而碳材料中氮 30 mA）进行 XRD 测试，扫描范围 10°~80°，步长 0.02°。
的均匀分布可以改善电极的电化学性能。Wu 等 [23] 1.3.2 X 射线光电子能谱（XPS）
制备了深度纳米结晶氮掺杂碳包覆 Fe 3 O 4 核壳纳米 X 光源是单色 Al K α 源，能量为 1486.6 eV，功
胶囊，在 0.5 A/g 电流密度下循环 150 次后，其显示 率为 150 W（10 mA×15 kV）；扫描模式是 CAE。
出 832 mA·h/g 的高比容量。Chen 等 [24] 设计了氮掺 全谱扫描时，最大动能为 160 eV；窄谱扫描时，最
杂的介孔碳包覆海胆样 Fe 3 O 4 。经过 100 次循环后， 大动能为 40 eV。
优化的样品在 0.5 A/g 时展现出 800 mA·h/g 的高可 1.3.3 热重分析（TGA）
逆容量。因此，氮掺杂对于提高电极材料的电化学 在空气中以 10 ℃/min 的速率从 30 ℃升至
性能具有重要作用。 1000 ℃。
本文通过简单环保的两步法制备交联状碳/氮 1.3.4 循环伏安（CV）
双掺杂 Fe 3 O 4 。交联状结构能够有效地适应循环过程 电压范围为 0.01~3.00 V，扫描速率为 0.1 mV/s。
中材料体积的剧烈变化，减少活性材料的粉碎，显 1.3.5 电化学阻抗（EIS）
5
–2
著提高循环性能。此外，交联状结构有助于电解质 测试频率范围为 1.0×10 ~1.0×10 Hz，交流电
渗透，并在电极和电解质之间提供大的接触面积， 压的振幅为 5 mV。
从而提高电子传输速率并增加 Fe 3 O 4 的导电性。在 1.4 工作电极制备方法
制备交联状结构 Fe 3 O 4 的同时引入碳和氮元素，实 工作电极的详细制备过程和纽扣电池（CR2032）
现碳/氮双掺杂。同时，本文对 Fe 3 O 4 /C/N 进行了 X 的组装过程参照文献[25-26]方法。
射线衍射（XRD）仪、X 射线光电子能谱（XPS）、
扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、 2 结果与讨论
热重分析（TGA）、循环伏安（CV）、循环性能、倍
2.1 物理分析
率性能以及电化学阻抗（EIS）研究。
通过 XRD 表征 Fe 3 O 4 /C/N 复合材料的晶体结
1 实验部分 构，结果见图 1a。图 1b 是 Fe 3 O 4 /C/N 在空气条件下
得到的热重分析曲线。通过 XPS 进一步考察了
1.1 仪器与试剂 Fe 3 O 4 /C/N 的化学组成和元素价态，结果见图 1c~f。
AXS D8 型 X 射线衍射仪，德国 Bruker 公司；
ESCALAB 250Xi 型 X 射线光电子能谱仪，美国
Thermo Fisher Scientific 公司；Merlin Compact 型场
发射扫描电子显微镜，德国 Zeiss 公司；Tecnai G2
F20 型透射电子显微镜，美国 FEI 公司；Q500 型热
重分析仪，美国 TA 公司；Solartron 1287 型电化学
工作站，英国 Solartron Mobrey 公司；CT-4008 型电
池测试仪，深圳新威有限公司。
六水 合三 氯化 铁（ FeCl 3 ·6H 2 O ）、尿素
（NH 2 CONH 2 ）、葡萄糖（C 6 H 12 O 6 ）、乙二醇，分析
纯，西陇化工试剂厂，试剂直接使用。
1.2 交联状 Fe 3 O 4 /C/N 的合成
第一步：搅拌下将 0.5 g FeCl 3 ·6H 2 O、0.5 g 尿
素、0.33 g 葡萄糖溶解在 70 mL 乙二醇中，制得的
浅棕色溶液转移到 200 mL 聚四氟乙烯内胆的反应
釜中，在 200 ℃下水热处理 6 h，自然冷却至室温。
将得到的黑色产物过滤，用去离子水洗涤 3 次，并
在 50 ℃下真空干燥，制得黑色产物。
第二步：将黑色产物在管式炉静态 N 2 气氛下以
3 ℃/min 的速度加热至 500 ℃，并保温 3 h，得到