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氧化铁的制备利用各种模板剂,通过无机颗粒与活性剂自组装、液晶模板机制和纳米铸造等机理[1]已经成功合成出多种过渡金属介孔氧化物,这些机理对介孔氧化铁的制备也有一定的指导作用。然而,由于氧化铁具有复杂的晶相行为,晶化过程容易发生骨架塌陷, 反应中易形成各种羟基氧化铁如α-FeOOH和β-FeOOH等,使得介孔氧化铁的制备存在一定的难度,合成方法有限。目前, 一般采用各种软、硬模板法来制备介孔氧化铁[2—4]。36473
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Stucky等[5]最先通过无机离子和表面活性剂自组装复合方法,以FeCl2和FeCl3为铁源,CnH2n+ 1OSO3Na(n=10、12、14、16、18)作表面活性剂,合成出平均厚度11—16A的层状氧化铁。其后,Wimsberger等[6]用两种不同的方法得到了具有介孔结构的氢氧化铁系化合物:一种是以H2O2 作氧化剂,在FeCl2 溶液中,以CnH2n+ 1OSO3Na(n=10、12、14、16、18)作表面活性剂制备出了28A无机层,这种方法与Stucky课题组不同的是当H2O2加入时,溶液是澄清的;另一种是在FeCl3 .6H2O溶液中,往溶液中逐渐添加NH3 调节pH,以C12H25OSO3Na 作表面活性剂,将沉淀在母液中陈化特定的时间,得到无机层为19-26A的氢氧化铁。比较这两种不同的方法可知,H2O2作氧化剂所得到颗粒具有较好的单分数性,这可能是由于只有当无机颗粒的大小达到一定尺寸时,才发生沉积并和表面活性剂结合。而使用NH3法,颗粒尺寸分布较宽,当活性剂加入时,颗粒直接沉积成无机簇超过一定尺寸,产物的有序度降低。宋伟明等[7]以十二烷基磺酸钠为模板剂、乙二胺为碱性介质,将水热法合成的氧化铁/十二烷基磺酸钠复合介孔材料在550℃空气气氛中煅烧10h,除去模板剂,得到介孔氧化铁。结果表明,在乙二胺中,水热法合成的介孔氧化铁具有较规则的晶体结构和孔道分布,平均孔径为5.4nm。论文网
由于烷基硫酸盐活性剂制备出的层状结构易塌陷,而采用烷基胺活性剂和金属醇盐的金属中心有很好的协同作用。圣安德鲁斯大学的Bruce小组分别用烷基胺和烷基羧酸盐活性剂作模板,通过原位法生成过渡金属醇盐合成出了介孔结构氧化铁和氧化锰。反应中用哌啶代替了氨水来调节pH,因为吡啶类衍生物是较好的配位基,而且增加头性基团的空间体积很容易形成优尔方相和高的结晶度,结果表明胺模板剂去除后孔没有塌陷。Gedanken等采用超声技术,以CTAB作模板合成出介孔氧化铁。该实验分别采用煅烧和萃取两种方法将模板脱出,结果发现在250℃煅烧4h产物的比表面最高为177m2/g,而萃取方法所得产物的比表面高达274m2/g,这大大提高了介孔氧化铁在催化吸附等领域的应用。
2氧化铁/碳复合物的制备
Fe2O3/石墨烯材料能够有效提高电极电容以及循环稳定性,因此,也被认为是最有前途的石墨烯基锂离子电极候选材料之一[8-9]。目前关于Fe2O3/石墨烯复合电极材料的制备主要通过气液相界面反应[10]的方法和对石墨烯片层间[11]的铁氧化物进行原位还原制得具有交错式结构Fe2O3/石墨烯负极复合材料。其中,原位还原制得Fe2O3/石墨烯负极复合材料循环30次时,复合材料在35mA/g电流密度下的可逆比容为1026mAh/g,而700mA/g电流密度下经过100次循环,可逆比容仍能保持在580mAh/g。
Zhu等[12]将FeCl3加入到含有尿素的氧化石墨烯薄片悬浮液中进行均相沉淀,最后通过肼还原后,得到Fe2O3纳米粒子均匀分散在还原氧化石墨烯表面的复合材料,其作为锂离子电池的负极材料时,在电流密度为100mA/g下,充、放电容量分别高达1227和1693mAh/g,50个循环周期后,其容量依然高达1027mAh/g,甚至在800mA/g的电流密度下,其放电容量仍旧保持在800mAh/g。
Tian等[13]利用一种简单有效的水热法制备了a-Fe2O3/石墨烯复合材料。通过电镜观察,直径约为70nm的a-Fe2O3纳米粒子固定在石墨烯片层上;通过电化学测试测得其可逆容量为1050mAh/g,比较复合前,其循环性能和比容量显著得到提高。