李　婷　龍志輝　張道洪(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

Fe2O3/rGO納米復(fù)合物的制備及其儲(chǔ)鋰和儲(chǔ)鈉性能

李婷*龍志輝張道洪*
(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

金屬氧化物可通過(guò)電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)與鋰離子及鈉離子發(fā)生多電子可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，是一類極具應(yīng)用前景的高容量鋰離子和鈉離子電池負(fù)極材料。實(shí)驗(yàn)以氧化石墨烯和鐵鹽為前驅(qū)體，采用簡(jiǎn)單的溶劑法，成功將Fe2O3納米單晶粒子均勻負(fù)載于石墨烯的導(dǎo)電片層上，獲得Fe2O3/rGO(還原氧化石墨烯)納米復(fù)合材料。復(fù)合電極在鋰離子和鈉離子電池中都表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明石墨烯的包覆不僅能降低Fe2O3發(fā)生轉(zhuǎn)換反應(yīng)的電荷傳遞阻抗，而且能夠穩(wěn)定電極在循環(huán)過(guò)程中帶來(lái)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，極大改善電極大電流充放能力和循環(huán)穩(wěn)定性。本研究為發(fā)展高容量的鋰離子和鈉離子電池負(fù)極材料提供了可行的途徑。

金屬氧化物；電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)；鋰離子電池；鈉離子電池；負(fù)極材料

doi:10.3866/PKU.WHXB201511105

1　引言

電化學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)理可實(shí)現(xiàn)多電子氧化還原反應(yīng)，是目前發(fā)展高比容量電極材料的一個(gè)新方向1－9。在眾多的轉(zhuǎn)換反應(yīng)化合物里，金屬氧化物不僅具有較高的理論容量，且價(jià)格低廉、環(huán)境友好。如Fe2O3，單位式量可以與6mol的鋰離子發(fā)生可逆的電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)，儲(chǔ)鋰容量高達(dá)~1000mAh?g－1，是目前商業(yè)化的石墨負(fù)極容量的兩倍多10－13。因而，金屬氧化物作為鋰離子電池的負(fù)極材料近年來(lái)備受關(guān)注1,4。更重要的是，金屬氧化物負(fù)極同樣也適用于鈉離子的電極反應(yīng)，為發(fā)展高容量的鈉離子電池電極體系提供了豐富的選擇14－17。

然而，金屬氧化物也具有一些難以忽視的問(wèn)題，一方面，轉(zhuǎn)換反應(yīng)涉及到多種固相結(jié)構(gòu)的重組與轉(zhuǎn)變，反應(yīng)過(guò)程需要克服較高的反應(yīng)能壘并伴隨著較大的體積膨脹和收縮，反應(yīng)受動(dòng)力學(xué)控制，材料的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性較差。另一方面，金屬氧化物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物L(fēng)i2O、Na2O的導(dǎo)電性都極差，也為后續(xù)的循環(huán)轉(zhuǎn)換帶來(lái)了一定的困難。一般來(lái)說(shuō)，將材料納米化和導(dǎo)電化將有利于提高材料的界面活性，改善轉(zhuǎn)換反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性能13。但如何有效地實(shí)現(xiàn)材料的納米化和均勻分散，并防止納米粒子在充放電過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚等系列問(wèn)題，仍然是亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。

石墨烯具有非常優(yōu)異的導(dǎo)電性和超高的比表面積，將其與金屬氧化物復(fù)合，能大幅提升材料的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性18－22。本文選擇氧化鐵作為研究對(duì)象，采用簡(jiǎn)單的溶劑熱法一步合成了石墨烯負(fù)載納米氧化鐵的復(fù)合材料，并考察了復(fù)合電極的儲(chǔ)鋰和儲(chǔ)鈉性能，為發(fā)展高容量的鋰離子及鈉離子電池負(fù)極材料提供可行的途徑。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1Fe2O3/rGO納米復(fù)合物的制備

采用溶劑熱法一步合成Fe2O3/rGO(還原氧化石墨烯)納米復(fù)合物。將60 mg氧化石墨烯(GO，~99%，南京先豐納米材料科技有限公司)溶入60 mL甲醇溶液中，超聲分散1 h，形成均勻分散的棕色懸浮液，隨后加入10 mL濃度為0.4 mol?L－1的Fe(NO3)3(分析純)甲醇溶液，繼續(xù)超聲分散30 min。然后加入14 mL氨水，充分?jǐn)嚢韬髮⑷芤恨D(zhuǎn)移至100 mL密封的聚四氟內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中，在180°C下保溫24 h。自然冷卻至室溫后打開，離心分離產(chǎn)物，并分別用蒸餾水和乙醇反復(fù)洗滌多次后在60°C下真空干燥，得到Fe2O3/rGO納米復(fù)合物。作為對(duì)照，按上述步驟合成了不加GO的空白Fe2O3樣品。

2.2材料結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能表征

采用粉末X射線衍射儀(XRD，D8-advance，Bruker)表征材料的結(jié)構(gòu)和物相組分，Cu靶Kα射線。采用激光共聚焦拉曼光譜儀(RM-1000，Renishaw)分析復(fù)合物中氧化石墨烯的還原情況，激發(fā)波長(zhǎng)為514.5 nm。采用熱重分析儀(TGA，Q500，TA)分析復(fù)合物中還原氧化石墨烯的含量，升溫速率為10(°)?min－1，空氣氣氛，溫度區(qū)間20－800°C。采用掃描電子顯微鏡(SEM，Quanta-200，F(xiàn)EI)和透射電子顯微鏡(TEM，JEM-2010FEF，JEOL)觀察材料的微觀形貌特征。

將制備的電極材料、導(dǎo)電碳(Super P)和粘結(jié)劑羧甲基纖維素鈉(CMC，3%的水溶液)按質(zhì)量比70:20:10混合均勻調(diào)制成粘稠的漿料，涂布在銅箔上，60°C真空干燥后制成電極膜片。電池的組裝是將上述膜片為工作電極，金屬鋰片或鈉片為負(fù)極，聚丙烯微孔膜(Celgard 2400)為隔膜，以1 mol?L－1的LiPF6電解質(zhì)溶解于混合溶劑碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)(體積比1:1:1)或1 mol?L－1NaPF6+EC-DEC(碳酸二乙酯)(體積比1:1)為電解液，在充滿Ar(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Ar，>99.99%；H2O，<1×10－7；O2，<1×10－7)的手套箱中組裝成2032型扣式電池。恒電流充放電測(cè)試采用LAND電池測(cè)試系統(tǒng)，電壓區(qū)間為0.01－3.00 V。循環(huán)伏安測(cè)試(CV)采用電化學(xué)工作站CHI660e對(duì)扣式電池進(jìn)行掃描，掃描速率為0.1 mV?s－1；掃描區(qū)間0.01－3.00 V。電化學(xué)交流阻抗譜(EIS)實(shí)驗(yàn)采用IM6e電化學(xué)工作站，交流信號(hào)振幅為5 mV，頻率范圍為100 kHz－100 mHz。

3　結(jié)果與討論

3.1Fe2O3/rGO納米復(fù)合物的結(jié)構(gòu)分析

石墨烯具有非常優(yōu)異的導(dǎo)電性和超高的比表面積，將其與金屬氧化物復(fù)合，將能大幅提升材料的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性。具體的合成機(jī)理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用氧化石墨烯作為前驅(qū)體，GO表面含有大量的羥基、羧基及含氧基官能團(tuán)，當(dāng)其分散溶解于水等溶劑中，其片層表面帶有大量負(fù)電荷23，溶液中的Fe3+在靜電作用下將吸附于GO表面，然后通過(guò)加入氨水與所吸附的Fe3+反應(yīng)原位生成Fe(OH)3納米晶，利用甲醇作為溶劑及還原劑，在高溫條件下將GO還原，去除其表面的含氧基團(tuán)，形成rGO，同時(shí)石墨烯表面的Fe(OH)3顆粒在高溫下原位分解生成Fe2O3納米晶，最后得到石墨烯負(fù)載氧化鐵的納米復(fù)合物。

采用XRD對(duì)合成的Fe2O3/rGO納米復(fù)合物，空白Fe2O3的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。如圖2所示，所制備的Fe2O3/rGO納米復(fù)合物與純Fe2O3具有非常相似的衍射譜圖，各特征衍射峰都?xì)w屬于六方晶系的α-Fe2O3(RC空間群，JCPDS No.33-0664)，而沒(méi)有觀察到其它雜質(zhì)峰，表明負(fù)載在rGO上生成的Fe2O3具有良好的結(jié)晶度和純度。

圖1　Fe2O3/rGO納米復(fù)合物的合成過(guò)程示意圖Fig.1　Schematic illustration of the formation process of the Fe2O3/rGO nanocomposite GO:graphene oxide;rGO:reduced graphene oxide

圖2　Fe2O3/rGO復(fù)合物和Fe2O3樣品的XRD圖Fig.2　XRD patterns of the Fe2O3/rGO composite and Fe2O3sample

拉曼光譜是表征石墨及石墨烯等碳材料的有效工具。石墨碳基材料在拉曼光譜中主要有兩個(gè)特征峰(G峰和D峰)，G峰對(duì)應(yīng)于sp2碳原子的E2g振動(dòng)，代表有序的sp2鍵結(jié)構(gòu)，D峰則代表來(lái)石墨烯邊緣的缺陷及無(wú)定形結(jié)構(gòu)，通常用D峰和G峰的強(qiáng)度之比(ID/IG)來(lái)評(píng)價(jià)碳材料的石墨化程度24。理論上，當(dāng)氧化石墨烯還原后，石墨片上的含氧基團(tuán)被除去，sp2碳的有序化程度會(huì)增加，ID/IG值會(huì)減小。實(shí)際上，研究發(fā)現(xiàn)GO被還原后，其中大量的sp3雜化碳原子脫氧后重新形成新的sp2雜化區(qū)，這些重新生成的雜化區(qū)域比GO的小，使還原后石墨烯的平均sp2區(qū)域尺寸變小，從而導(dǎo)致ID/IG增大25。圖3(a)為GO及Fe2O3/rGO納米復(fù)合物的拉曼光譜。GO及Fe2O3/rGO復(fù)合物的D峰和G峰分別出現(xiàn)在1355和1605 cm－1處，其中復(fù)合物的ID/IG值比GO的比值明顯增大，表明復(fù)合物中的氧化石墨烯在一定程度上被還原成石墨烯，這將大大改善負(fù)載的氧化鐵的導(dǎo)電性，有利于其轉(zhuǎn)換反應(yīng)的順利進(jìn)行。

圖3　(a)GO樣品和Fe2O3/rGO復(fù)合物的拉曼光譜; (b)Fe2O3/rGO復(fù)合物的熱重分析曲線Fig.3　(a)Raman spectra of the GO sample and Fe2O3/ rGO composite;(b)thermogravimetric analysis (TGA)curve of the Fe2O3/rGO composite

為了確定Fe2O3/rGO復(fù)合物中石墨烯的含量，對(duì)樣品進(jìn)行了熱重分析。圖3(b)為Fe2O3/rGO復(fù)合物的TGA曲線。樣品在空氣氣氛中以10(°)?min－1升溫速率由室溫升至800°C。從圖中可以看出，復(fù)合物從50°C開始緩慢失重，100－200°C的質(zhì)量失重對(duì)應(yīng)于復(fù)合物中石墨烯片層上部分殘余含氧官能團(tuán)的受熱分解，200－500°C相當(dāng)大的重量損失對(duì)應(yīng)于石墨烯整個(gè)碳骨架的燃燒失重，到500°C后質(zhì)量基本維持恒重，殘余物質(zhì)應(yīng)為Fe2O3，失重的質(zhì)量即為復(fù)合物中石墨烯的含量。經(jīng)計(jì)算復(fù)合物中石墨烯的含量為15.57%，與理論含量(15.79%)非常接近。

3.2復(fù)合物的形貌表征

為了清晰地觀測(cè)所合成的Fe2O3納米粒子的微觀形貌和尺寸大小以及在石墨烯片層上的負(fù)載形態(tài)，實(shí)驗(yàn)采用掃描電鏡和透射電鏡對(duì)樣品的形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和分析。圖4為純Fe2O3和Fe2O3/rGO納米復(fù)合物的SEM和TEM照片。從圖4 (a)可以看出，溶劑熱合成的純Fe2O3晶粒尺寸分布非常均勻(200－300 nm)，顆粒分散性好。從復(fù)合物的SEM照片(圖4(b))可以明顯觀察到Fe2O3晶粒緊密附著于石墨烯的片層上，顆粒分散均勻，粒徑相比于空白Fe2O3樣品變化不大。通過(guò)TEM可以更加清晰地觀測(cè)樣品的形貌特征。從Fe2O3的TEM照片(圖4(c))可以看出，合成的Fe2O3晶粒呈六方菱形，粒徑分布均勻，單個(gè)晶粒的平均尺寸為~250 nm，與SEM觀測(cè)的結(jié)果相一致。圖4(d)為復(fù)合物的TEM照片，從圖中可以觀測(cè)到Fe2O3納米粒子均勻包裹于石墨烯的薄膜中，晶粒保持六方菱形狀，尺寸大小為~300 nm。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果都充分證實(shí)了Fe2O3納米晶粒均勻分散在石墨烯的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅能大幅度提高Fe2O3的導(dǎo)電性，同時(shí)能夠緩沖電極在充放電過(guò)程中不斷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化帶來(lái)的體積膨脹和收縮，阻止納米粒子的團(tuán)聚，將大大改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖4　(a,c)Fe2O3和(b,d)Fe2O3/rGO復(fù)合物的(a,b)SEM和(c,d)TEM圖片F(xiàn)ig.4　(a,b)SEM and(c,d)TEM images of(a,c)Fe2O3and(b,d)Fe2O3/rGO composite

3.3復(fù)合物電極的電化學(xué)性能

為了考察Fe2O3/rGO納米復(fù)合電極在鋰離子以及鈉離子電池中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)采用恒電流充放電測(cè)試復(fù)合物的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。圖5(a)為Fe2O3/rGO納米復(fù)合物電極在50 mA?g－1的電流密度下的充放電曲線，電壓區(qū)間為0.01－3.00 V，復(fù)合物電極的比容量以復(fù)合物的總質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。如圖5(a)所示，F(xiàn)e2O3/rGO復(fù)合電極的首周放電容量達(dá)到1251 mAh?g－1，在~0.85 V處出現(xiàn)一段平穩(wěn)的放電平臺(tái)，對(duì)應(yīng)于Fe2O3還原為單質(zhì)鐵的過(guò)程12。首周的放電容量部分超出了Fe2O3的理論容量(1005 mAh?g－1)，可能是由于電解液在電極表面的不可逆還原分解造成的。隨后的充電過(guò)程中，電極的可逆充電容量為895 mAh?g－1，達(dá)到理論容量的89%，接近2.7個(gè)電子的可逆轉(zhuǎn)換。在1.50－2.00 V的電壓區(qū)間出現(xiàn)相應(yīng)的充電平臺(tái)，對(duì)應(yīng)于單質(zhì)Fe氧化為Fe2O3的可逆過(guò)程。隨后幾周電極都表現(xiàn)出相似的充放電曲線，第十周的可逆容量保持在~800 mAh?g－1。這種特征的充放電曲線表明復(fù)合物中的Fe2O3能夠與單質(zhì)Fe實(shí)現(xiàn)可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，釋放出非?？捎^的儲(chǔ)鋰容量。

圖5(b)為Fe2O3/rGO納米復(fù)合物電極及空白Fe2O3電極在100 mA?g－1的電流密度下的循環(huán)曲線。如圖所示，F(xiàn)e2O3/rGO復(fù)合電極的首周充電容量為650 mAh?g－1，循環(huán)100周后可逆比容量仍保持在~550 mAh?g－1。電極首周的充放電效率達(dá)到68%，之后就保持在98%以上。純Fe2O3電極初始容量雖然達(dá)到930 mAh?g－1，但循環(huán)幾周后容量迅速衰減，循環(huán)100周之后的容量?jī)H為~300 mAh?g－1。Fe2O3/rGO復(fù)合電極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，表明石墨烯導(dǎo)電基質(zhì)的引入，不僅提高了材料的導(dǎo)電性，同時(shí)石墨烯的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠很大程度上緩沖氧化物在充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的體積膨脹以及納米晶粒間的團(tuán)聚，大大改善電極的循環(huán)穩(wěn)定性.

電池的大電流快速充放電性能力在實(shí)際應(yīng)用中具有突出的重要性，特別是目前在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)電池的高功率輸出性能有很高的要求。為了考察Fe2O3/rGO復(fù)合電極作為活性負(fù)極材料的速率性能，在室溫下，將所制備的復(fù)合物電極在不同的大電流密度下進(jìn)行充放電循環(huán)。圖5(c)分別給出Fe2O3/rGO復(fù)合電極和純Fe2O3電極在不同倍率下充放電的循環(huán)性能。在高達(dá)500 mA?g－1的電流密度下，F(xiàn)e2O3/rGO復(fù)合電極的可逆充電容量高達(dá)~560 mAh?g－1，純Fe2O3電極僅為~150 mAh?g－1；當(dāng)電流密度增加到1000 mA?g－1，復(fù)合電極的可逆容量仍保持在~400 mAh?g－1；當(dāng)電流密度恢復(fù)到100 mA?g－1，復(fù)合電極的可逆容量又重新達(dá)到并保持在~750 mAh?g－1，而純Fe2O3電極迅速衰減至150 mAh?g－1。負(fù)載石墨烯的Fe2O3復(fù)合電極所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)異的高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性表明，在復(fù)合物中形成的氧化鐵與石墨烯充分接觸的納米活性微區(qū)能有效降低轉(zhuǎn)換反應(yīng)需要克服的能壘，提高材料的動(dòng)力學(xué)性能。

圖5　(a)Fe2O3/rGO復(fù)合物電極的充放電曲線(電流密度:50 mA·g－1;電壓區(qū)間:0.01－3.00 V);(b)Fe2O3/rGO復(fù)合物和Fe2O3電極在100 mA·g－1的電流密度下的循環(huán)曲線;(c)Fe2O3/rGO復(fù)合物和Fe2O3電極在0.01－3.00 V之間不同電流密度下(100－1000 mA·g－1)的循環(huán)曲線;(d)Fe2O3/rGO復(fù)合物電極在1 mol·L－1LiPF6+EC-DMC-EMC中的循環(huán)伏安曲線(掃描速率:0.1 mV·s－1;掃描區(qū)間:0.01－3.00 V)Fig.5　(a)Discharge/charge profiles of the Fe2O3/rGO composite electrode between 0.01 and 3.00 V at a current density of 50 mA·g－1;(b)cycling curves of the Fe2O3/rGO and Fe2O3electrodes at a current density of 100 mA·g－1; (c)rate capability of the Fe2O3/rGO and Fe2O3electrodes between 0.01 and 3.00 V at various current densities from 100 to 1000 mA·g－1;(d)cyclic voltammogram(CV)curves of the Fe2O3/rGO composite electrode from 0.01 to 3.00 V in 1 mol·L－1LiPF6+EC-DMC-EMC at a scan rate of 0.1 mV·s－1

為了研究Fe2O3復(fù)合電極在充放電過(guò)程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化和相轉(zhuǎn)變機(jī)理，實(shí)驗(yàn)采用CV掃描對(duì)電極所發(fā)生的氧化還原過(guò)程進(jìn)行了分析。圖5(d)為Fe2O3/rGO復(fù)合物電極在1 mol?L－1LiPF6+ECDMC-EMC中的循環(huán)伏安曲線，掃描速率為0.1 mV?s－1，掃描區(qū)間為0.01－3.00 V。在首次負(fù)向掃描的過(guò)程中，在0.80－0.60 V處出現(xiàn)一個(gè)寬的還原峰，與圖5(a)中的首周放電平臺(tái)相對(duì)應(yīng)。在反向掃描的過(guò)程中，分別在1.60和1.80 V處出現(xiàn)兩個(gè)氧化峰，在隨后第二周的負(fù)向掃描過(guò)程中，在1.30和0.95 V處出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)應(yīng)的還原峰，這兩對(duì)可逆的氧化還原峰分別對(duì)應(yīng)于Fe0與Fe2+以及Fe2+與Fe3+之間的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換26。

為了進(jìn)一步揭示石墨烯的引入對(duì)Fe2O3電極發(fā)生轉(zhuǎn)換反應(yīng)的阻抗影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fe2O3/rGO復(fù)合物和純Fe2O3電極在第1周和第20周后的電化學(xué)阻抗譜(EIS)，如圖6所示?；趫D中的等效模擬電路，對(duì)EIS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，得到了兩種材料電極的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)阻抗(RSEI)和電化學(xué)反應(yīng)電荷傳遞阻抗(Rct)。由表1中的數(shù)據(jù)可知，純Fe2O3電極在1周和20周循環(huán)后的電荷傳遞阻抗有所增加(25.8和34.3 Ω)。相比之下，F(xiàn)e2O3/ rGO復(fù)合電極在循環(huán)過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)電荷傳遞阻抗變化不大(15.3和15.0 Ω)，這表明通過(guò)石墨烯的包覆能降低Fe2O3發(fā)生轉(zhuǎn)換反應(yīng)的電荷傳遞阻抗，穩(wěn)定電極在循環(huán)過(guò)程中帶來(lái)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

圖6　(a)Fe2O3電極和(b)Fe2O3/rGO復(fù)合物第1周和第20周后的電化學(xué)阻抗譜Fig.6　Electrochemical impedance spectra(EIS)of(a)Fe2O3and(b)Fe2O3/rGO electrodes after 1st and 20th cycles

表1　電化學(xué)阻抗譜等效模擬電路的擬合結(jié)果Table 1　Simulation results of the EIS using the equivalent circuit

圖7　Fe2O3/rGO復(fù)合物電極在鈉離子溶液(NaPF6+EC-DEC)中的電化學(xué)性能Fig.7　Electrochemical performances of the Fe2O3/rGO composite electrode in NaPF6+EC-DEC solution

鈉離子電池具有資源豐富、價(jià)格低廉和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)備受關(guān)注27,28。鑒于作為鋰離子電池負(fù)極的良好性能，實(shí)驗(yàn)對(duì)Fe2O3/rGO復(fù)合電極在鈉離子電池中的充放電能力進(jìn)行了考察。圖7 (a,b)為復(fù)合電極在鈉離子溶液(NaPF6+EC-DEC)中的充放電曲線和循環(huán)曲線，電流密度為50 mA?g－1，電壓區(qū)間為0.01－3.00 V。如圖所示，F(xiàn)e2O3/ rGO復(fù)合電極在鈉離子溶液中表現(xiàn)出類似的充放電特征。首周充電容量達(dá)421 mAh?g－1，接近1.3個(gè)電子的可逆轉(zhuǎn)換。循環(huán)60周后的可逆容量仍保持在367 mAh?g－1以上，表明Fe2O3/rGO復(fù)合電極能夠與Na+順利地發(fā)生電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)，并表現(xiàn)出良好的循環(huán)性。圖7(c)為Fe2O3/rGO復(fù)合電極在鈉離子電池中的倍率性能。在高達(dá)500 mA?g－1的電流密度下，F(xiàn)e2O3/rGO復(fù)合電極的可逆充電容量仍可達(dá)到~250 mAh?g－1，表現(xiàn)出較好的倍率性能。圖7 (d)為Fe2O3/rGO復(fù)合物電極在NaPF6+EC-DEC溶液中的循環(huán)伏安曲線。電極表現(xiàn)出與在鋰離子溶液中相似的CV特征，在掃描區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)兩對(duì)可逆的氧化還原峰，表明Fe2O3/rGO復(fù)合電極在鈉離子溶液中也可以實(shí)現(xiàn)Fe2O3與單質(zhì)Fe之間的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。

4　結(jié)論

實(shí)驗(yàn)以氧化石墨烯和鐵鹽為前驅(qū)體，采用一步溶劑法，利用甲醇溶劑將氧化石墨烯還原，成功將Fe2O3納米單晶粒子均勻負(fù)載于石墨烯的導(dǎo)電片層上，獲得Fe2O3/rGO納米復(fù)合材料。復(fù)合電極在鋰離子和鈉離子電池中都表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)測(cè)試表明，石墨烯導(dǎo)電基質(zhì)的引入，不僅降低了Fe2O3發(fā)生轉(zhuǎn)換反應(yīng)的電荷傳遞阻抗，同時(shí)石墨烯的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠很大程度上緩沖氧化物在充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的體積膨脹以及納米晶粒間的團(tuán)聚，大大改善電極的大電流充放能力和循環(huán)穩(wěn)定性。本研究為發(fā)展高容量的鋰離子和鈉離子電池負(fù)極材料提供了可行的途徑。

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勘誤

衛(wèi)會(huì)云，王國(guó)帥，吳會(huì)覺(jué)，羅艷紅，李冬梅，孟慶波。量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展。物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2016,32(1),201－213。紙版印刷的作者中文單位名稱中的“中科院清潔能源前言研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”應(yīng)改為“中科院清潔能源前沿研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。特此更正！

Synthesis and Electrochemical Properties of Fe2O3/rGO Nanocomposites as Lithium and Sodium Storage Materials

LI Ting*LONG Zhi-HuiZHANG Dao-Hong*
(College of Chemistry and Materials Science,South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,P.R.China)

Metal oxides are promising high-capacity anode materials for lithium and sodium-ion batteries because of the reversible multi-electron structural conversion reactions with lithium and sodium ions.In this study,Fe2O3/rGO(reduced graphene oxide)nanocomposites were prepared using graphene oxide sheets and ferric salt as precursors through a one-step solvothermal method.The experimental results demonstrated that the Fe2O3nanocrystals were uniformly dispersed on the surface of reduced graphene oxide sheets. The nanocomposite anodes show superior charge-discharge performances and cyclability in lithium and sodium ion batteries，indicating that reduced graphene oxide sheets can reduce the charge-transfer resistance and stabilize the structure change during cycling.It suggests a potential feasibility to use these metal oxide nanocomposites as high capacity anode materials for lithium and sodium ion batteries.

Metal oxide;Electrochemical conversion reaction;Lithium ion battery;Sodium ion battery;Anode material

September 23,2015;Revised:November 6,2015;Published on Web:November 10,2015.

O646

*Corresponding author.LI Ting,Email:liting@mail.scuec.edu.cn;Tel:+86-27-67841788.ZHANG Dao-Hong,Email:zhangdh27@163.com; Tel:+86-27-67841788.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21403305)and“Fundamental Research Funds for the Central Universities”,South-Central University for Nationalities,China(CZQ14007).

國(guó)家自然科學(xué)基金(21403305)和中南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(CZQ14007)資助項(xiàng)目

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica