MS  >> Vol. 8 No. 9 (September 2018)

    CeO2/Fe2O3复合材料的合成及其电化学性能研究
    Synthesis and Electrochmical Performance of CeO2/Fe2O3 Composite

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作者:  

张 航,徐 婧,丁 燕,赖金盛,夏丽娟,李梦梦,王 雷,钟声亮:江西师范大学化学化工学院,江西 南昌

关键词:
CeO2/Fe2O3复合材料稀土超级电容器CeO2/Fe2O3 Composite Rare Earth Supercapacitor

摘要:

以Ce(NO3)3∙6H2O和K4[Fe(CN)6•3H2O为原料、去离子水为溶剂,通过沉淀法成功地制备出了松塔双锥形前驱体,在500℃空气氛围中煅烧4 h后得到CeO2/Fe2O3复合材料,同时考察了物料比、反应温度和反应时间对产物形貌的影响。运用X-射线衍射仪(XRD)、热分析(TG)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等技术对产物的形貌和结构进行表征,通过循环伏安和恒电流充放电测试研究了CeO2/Fe2O3复合材料作为超级电容器电极材料的性能。在2 mol/L KOH溶液中,电位窗口0.18~0.45 V (vs. SCE)时,CeO2/Fe2O3作为电极材料表现出良好的比电容,在扫速为1 mV/s时,其比电容可达到332.9 F/g。

In this work, tower shape-bipyramid CeO2/Fe2O3 composite materials were successfully prepared through a chemical co-precipitation method using Ce(NO3)3∙6H2O and K4[Fe(CN)6•3H2O as raw materials and deionized water as solvent. The effects of reaction temperature and reaction time on the morphology of the product were investigated. CeO2/Fe2O3 composite materials used as electrode materials for supercapacitor, were also detected through electrochemical performance tests. Electrochemical performance of CeO2/Fe2O3 composite materials in 2 mol/L KOH electrolyte was studied by cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). As electrode material, the operating voltage of CeO2/Fe2O3 composite materials is 0.18 - 0.45 V (vs. SCE). Its specific capacitance is 332.9 F/g at sweep speed of 1 mV/s.

1. 引言

由于化石燃料的耗尽和环境污染的增加,人类迫切需要绿色、高效、清洁和可持续的能源来满足生产生活等各方面的需求,但是发展环境友好型的能源离不开能源转换和存储相关的新技术,比如电池、燃料电池、水分解以及电化学超级电容器(ES)等 [1] 。其中,超级电容器 [2] 与其他常规电池和电子设备相比具有高功率,高能量密度,循环寿命长,充放电速率高等特征。电极材料的性质是决定电容器能量密度、功率密度等电化学性能的关键因素。其中,金属氧化物赝电容器电极材料存在赝电容效应 [3] :充放电过程中,在电极–电解液表面欠电位沉积的材料可以发生高度可逆的化学吸附脱附(如聚苯胺,聚吡咯等聚合物)和氧化还原反应(如氧化镍,氧化锰等金属氧化物),从而在电极之间产生电位差。赝电容器因工作原理的特殊性,其存储电荷的能力较双电层电容器相比高10~100倍。这种大比容量特性可以使得电容器小型化变得更加容易,因此越来越多的研究转向了赝电容器。如Qiu Jiang [4] 制备出的RuO2全赝电容电极循环2000次充放电后仍可保持86%的比电容,但RuO2价格昂贵。因此,寻找其他金属氧化物代替品显得尤为重要。

由于不完全的4f壳,稀土金属的三价和二价离子提供了非常有趣的光学和磁性性质 [5] 。二氧化铈(CeO2)是一种重要的稀土化合物,Ce [6] 是一种基态价态为4f15d16s2的稀土元素,是自然界最丰富,价格最低廉的稀土元素,它不仅可以像其他镧系金属一样损失一个5d和两个6s电子形成稳定的Ce3+,而且还可以失去一个额外的4f电子产生4f空态,从而产生稳定的Ce4+。CeO2中Ce3+和Ce4+之间相互转换的能力使得其是一种良好的氧化还原材料,可以应用于超级电容器 [7] 。尽管CeO2具有良好的氧化还原特性,但其结构稳定性差,当Ce4+还原为Ce3+时,其晶格总是膨胀 [8] 。因此,它不能单独用于电极材料,为了同时满足高性能超级电容器的要求,同时具有良好的电容性能,倍率性能,能量密度和循环稳定性,必须将CeO2与碳材料或其他金属氧化物复合 [9] 。

在各种过渡金属氧化物中,尤其是赤铁矿(α-Fe2O3) [10] 被发现在可再充电电池,超级电容器,气体传感器,光催化应用,场效应晶体管等的各种应用中是有前景的材料。Fe2O3是一种很有前途的电极材料,因为其成本低,易于获得,环保和耐腐蚀。推测Fe2O3和CeO2的结合可以提高催化剂的活性和氧化还原稳定性,从而提高电化学超级电容器的应用性能。然而,据我们所知,CeO2/Fe2O3复合纳米粒子作为高性能超级电容器材料的报道迄今为止是有限的。

鉴于此,本文以六水合硝酸铈Ce(NO3)3∙6H2O和六氰合亚铁酸钾K4[Fe(CN)6∙3H2O]为原料,水为溶剂,通过共沉淀法成功制备复合金属氧化物前驱体,将其在500℃空气氛围下煅烧4 h,得到具有微米松塔双锥形貌CeO2/Fe2O3复合材料,通过SEM、TEM和XRD等对其形貌及结构进行分析,并研究了复合材料作为超级电容器电极材料性能。

2. 实验部分

2.1. 试剂与仪器

六水合硝酸铈(Ce(NO3)3∙6H2O,分析纯,上海晶纯生化科技股份有限公司);六氰合亚铁酸钾(K4[Fe(CN)6∙3H2O],分析纯,天津市福晨化学试剂厂)。

使用具有Cu-Kα辐射(λ = 1.54178)的Rigaku X射线衍射仪进行X射线粉末衍射(XRD)。扫描电子显微镜与能量色散X射线光谱(SEM-EDX,日立S-3400)相结合。用Diamond TG/DTA热分析仪,在室温至800℃的空气中以10℃/min的恒定加热速率进行热重分析(TGA)。在电化学工作站(CHI760E,上海辰华仪器公司)测试材料的电化学性能。

2.2. 实验方法

制备CeO2/Fe2O3复合材料:1 mmol Ce(NO3)3∙6H2O溶解在25 mL去离子水中得到A溶液;1 mmol K4[Fe(CN)6∙3H2O溶解在25 mL去离子水中得到B溶液;将A溶液缓慢注入到B溶液中,室温(~32℃)下通过磁力搅拌1 h后,离心收集沉淀物,用去离子水和乙醇交替洗涤三次。然后将所得产物在60℃真空干燥箱中干燥一晚上,最后将样品在500℃空气氛围中煅烧4 h,得到最终产物CeO2/Fe2O3复合材料。

制备CeO2和Fe2O3:将Ce(NO3)3∙6H2O在500℃空气氛围中煅烧4 h得到CeO2;将K4[Fe(CN)6∙3H2O在500℃空气氛围中煅烧4 h得到Fe2O3

2.2. 电极制备与电化学性能测试

将所制备好的样品、乙炔黑和PTFE乳液(Polytetrafluoroethylene, PTFE, w = 60%)按质量比为8:1:1混合后,加入适量无水乙醇超声10分钟,80℃烘干,做成片状烘干后截取1.4 mg的电极片,然后在10 Mpa的压力下压制在镍网集流体上,再把制好的电极片在电解液(2 mol/L的KOH)中进行活化。采用三电极系统,以制备好的电极片为工作电极、镍网为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极,窗口电压0.18~0.45 V,在电化学工作站上测试材料的电化学性能。

3. 结果与讨论

扫描电子显微镜(SEM)分析

为了研究反应参数对产物形态的影响,进行了一系列对照实验,对其形貌演化进行了系统研究。首先,通过固定其他反应条件,研究反应时间对产物形貌的影响。图1是不同反应时间所得前驱体的SEM图。反应时间为0 min时(图1(a)),所得样品由单层多面体组成,其粒径约为22 μm,结合Fe2O3的扫描图(图2(c))可知该多面体可能是Fe2+的配合物,随着反应时间的增加,单层多面体逐渐趋于松塔状堆;当反应时间达10 min时(图1(b)),产物形貌为数层多面体堆积的松塔状,长约5 μm;当反应时间为30 min时(图1(c)),可以看到松塔双锥的生长方向主要发生在腰部和顶部,另外堆积颗粒较小,结合CeO2的扫描图(图2(a)),小颗粒堆积物可能是Ce3+的配合物,其长约17 μm,宽约9 μm;当反应进行到1 h时(图1(d))形成了完整的松塔双锥形貌,其长约为22 μm,宽约10 μm。由上述分析可知:随着反应时间的增加,Ce3+的配合物逐渐在多面体Fe2+的配合物上堆积,样品尺寸不断增大,最终在反应1 h后形成具有松塔双锥形貌前驱体,说明反应时间对松塔状锥形貌的形成有很大影响,且最适宜的反应时间为1 h。

Figure 1. SEM images of the precursor obtained with the molar ratio of Ce(NO3)3·6H2O to K4[Fe(CN)6·3H2O is 1:1 at the reaction temperature of 32˚C for different reaction time: (a) 0 min (b) 10 min; (c) 30 min; (d) 60 min

图1. Ce(NO3)3·6H2O与K4[Fe(CN)6·3H2O的摩尔比为1:1,反应温度为32℃,不同反应时间下所得前驱体的SEM图:(a) 0 min; (b) 10 min; (c) 30 min; (d) 60 min

Figure 2. (a) and (b): SEM and EDX of CeO2; (c) and (d): SEM and EDX of Fe2O3; (e) and (f): SEM and EDX of CeO2/Fe2O3 Composite material

图2. (a)和(b):CeO2的SEM图及EDX图;(c)和(d):Fe2O3的SEM图及EDX图;(e)和(f):双塔梭状CeO2/Fe2O3复合材料的SEM图及EDX图

我们还研究了反应物摩尔比对产物形貌的影响,如图3所示,当n(Ce3+):n(Fe2+)为2:1时(图3(a)),产物由大量的双锥花状组成,其长约为5 μm,宽约为3 μm,说明当n(Ce3+)过多可能会抑制Ce3+的配合物在Fe2+的配合物上的堆积,从而抑制松塔形貌的形成;当n(Ce3+):n(Fe2+)为1:1 (图3(b))的时候,产物形貌多数为完整的塔状双锥形,其长约为8~12 μm,宽约为5~8 μm;当n(Ce3+):n(Fe2+)为1:3 (图3(c))时,松塔单向生长,形貌生长不完全,其长约为20 μm,宽约为2~13 μm,说明当n(Fe2+)过多时会限制双锥松塔形貌的形成;当n(Ce3+):n(Fe2+)为1:5 (图3(d))时,形貌大多数为不规则松塔状和少量双锥花状,其长为5~10 μm,宽为1.5~3 μm,从而说明当n(Fe2+)过多时不仅会抑制松塔双锥的形成,而且会影响Ce3+的配合物在Fe2+的配合物上的堆积。由上述可知:最适合物料比为1:1,当n(Ce3+)和n(Fe2+)过多时都会影响前驱体松塔双锥形貌的形成。

另外,如图4是控制其他反应条件不变,在不同反应温度下产物的形貌扫描图。图4(a)为在室温(32℃)条件下反应一小时得到前驱体扫描图,可以看到已经形成较均匀的松塔双锥形貌,其长约为15 μm,宽约为1~2 μm;在40℃水浴温度下反应得到的存在较少不完整的双锥形貌,少量完整松塔双锥形貌,其长约11~17 μm,宽约2~9 μm;当在水浴50℃反应一小时后得到的是较多不完整的双锥形貌,较少完整形貌,长约8~14 μm,宽约2~4 μm,当反应温度升高至水浴60℃时,样品形貌几乎为不完整的松塔状,长约8~15 μm,宽约2~5 μm。由上述数据可知:随着反应温度升高,样品形貌由完整的松塔双锥变为不完整松塔双锥,这可能是由于温度的升高造成Ce3+/Fe2+堆积形成的配合物容易分解而出现不完整的松塔双锥形貌。因此,最合适的反应温度为室温(32℃)。

由此,通过对比反应时间、反应比例和反应温度对产物形貌的影响,最终确定获得最佳形貌的条件为:反应物比例为1:1,在室温(32℃)下反应1 h,在该条件下得到的产物为典型样品的前驱体。

图5的(a)、(b)和(c)、(d)分别是前驱体和煅烧后的CeO2/Fe2O3复合材料的电镜扫描图。从图(a)和(b)中可以明显看出前驱体样品的形貌呈松塔状,外侧有尖锐的棱,形貌较为均匀,梭状结构较为稳定,没有发现破损颗粒,样品长宽各约为20 μm和12 μm,没有观察到有孔道结构。在空气氛围,500℃煅烧4 h得到的CeO2/Fe2O3复合材料仍为塔状形貌,颗粒长16 μm,宽9 μm,粒径较前驱体减小,从图5(c)和图5(d)

Figure 3. SEM images of the precursor obtained at the reaction temperature of 32˚C for 1 h with different molar ratios of Ce(NO3)3·6H2O to K4[Fe(CN)6·3H2O: (a) 2:1; (b) 1:1; (c) 1:3; (d) 1:5

图3. 反应温度为32℃,反应时间为1 h,Ce(NO3)3·6H2O与K4[Fe(CN)6·3H2O)不同摩尔比条件下所得前驱体的SEM图:(a) 2:1;(b) 1:1;(c) 1:3;(d) 1:5

Figure 4. SEM images of the precursor obtained with the molar ratio of Ce(NO3)3·6H2O to K4[Fe(CN)6·3H2O is 1:1 for 1 h at different reaction temperatures: (a) 32˚C; (b) 40˚C; (c) 50˚C; (d) 60˚C

图4. Ce(NO3)3·6H2O与K4[Fe(CN)6·3H2O的摩尔比为1:1,反应时间为1 h,不同水浴温度下所得前驱体的SEM图:(a) 32℃;(b) 40℃;(c) 50℃;(d) 60℃

Figure 5. (a) and (b): SEM images of the precursor obtained with the molar ratio of Ce(NO3)3·6H2O to K4[Fe(CN)6·3H2O is 1:1 for 1 h at the reaction temperature of 32˚C. (c)和(d): SEM images of CeO2/Fe2O3 by calcination for 4 h in 500˚C air atmosphere

图5. (a)和(b): Ce(NO3)3·6H2O与K4[Fe(CN)6·3H2O的摩尔比为1:1, 在室温(32℃)反应1 h所得前驱体的SEM图, (c)和(d):500℃空气氛围中煅烧4 h所得CeO2/Fe2O3的SEM图

可以看出CeO2/Fe2O3外侧尖锐棱消失,有孔洞形成,这可能是在煅烧过程中样品内部碳被消耗所造成的,这一孔洞结构的出现可以增加样品的比表面积,从电化学性能角度看来,大的比表面积能够增大电极材料和电解液接触面积,提供更多活性位点。

图2为CeO2、Fe2O3和CeO2/Fe2O3复合材料的扫描(SEM)及能谱图(EDX)。图2(a)可以看出CeO2扫描图由不规则小颗粒组成,图2(b) CeO2能谱图可以知道Ce和O元素的存在,其中Ce的元素含量为18.61%,O的元素含量为57.15%和C的元素含量为24.24%。从图2(c)可以知道,Fe2O3具有不规则六面体形貌,粒径约为10~50 nm,有颗粒团聚出现,图2(d)能谱图表明该样品由Fe和O元素,其中,Fe的元素含量为32%,O的元素含量为53.76%和C的元素含量为14.24%。图2(f)能谱图证明CeO2/Fe2O3复合材料是由Ce、Fe、O和C元素组成,各元素含量分别为8.15%,4.61%,65.04%和22.19%。

图6为前驱体在空气中测得的TG曲线,该过程主要分为两阶段并且在500℃以内总的失重约为45%。第一次失重在250℃之前,失重量大约为10%,主要为物理吸附水和结构水的丢失,这与反应原料中21个结晶水(1 mM Ce(NO3)3∙6H2O和5 mM K4[Fe(CN)6∙3H2O)的理论质量分数(12%)接近。第二次失重阶段在250℃~500℃,失重约为35%,这是由于有机配体(其理论质量分数为33%)的分解造成的。由上可知,在高温煅烧后,前驱体最终分解为水分子,碳、氮的氧化物,铈的氧化物及铁的氧化物,结合图7可以确定煅烧后的样品为CeO2/Fe2O3复合材料。

图7是在空气氛围,500℃煅烧4 h得到的(a):CeO2;(b):Fe2O3;(c):CeO2/Fe2O3复合材料。从图7(a)可知,该产物的所有衍射峰都与立方相的CeO2标准卡片(JCPDS card NO.34-0394)完全吻合,证明煅烧后完全转换成CeO2图7(b)中强的衍射峰有5个,分别位于30.2˚、35.6˚、43.3˚、57.3˚和62.9˚处,这几处衍射峰出现的位置分别对应于Fe2O3的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)晶面(PDF#39-1346) [11] ,证明该氧化铁材料为α-Fe2O3图7(c)为CeO2/Fe2O3复合材料的XRD图,其中位于28.5˚、33.1˚、47.5˚和56.3˚的4个强衍射峰(红色)分别对应立方相CeO2的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。位于30.3˚、35.7˚、57.4˚和63˚处(蓝色)出现的衍射峰对应Fe2O3 (PDF#25-1402) [12] 的(206)、(119)、(11 15)和(40 12)晶面,说明该样品是CeO2和Fe2O3的复合材料。

一般而言,材料的比表面积、孔径和孔容对于材料的电容性质有较大的影响 [13] 。理论情况下,超级电容器电极材料的比容量与比表面积成正比,但实际上,超级电容器同样受孔径分布的制约。如果电极材料的孔径小于0.5 nm,会导致电解液进入困难,从而影响电荷的储存,所以只有合适的孔径才有利于提供高的比电容。为此,通过氮气吸附脱附测试来分析CeO2/Fe2O3复合材料的比表面积、孔容及孔径等性质。图8为在77 K时测试的CeO2/Fe2O3复合材料的吸附等温曲线及孔径分布曲线。从图8中可以看出,CeO2/Fe2O3复合材料的吸附–脱附等温曲线为IV型,其中,H3型迟滞回线表明在较高的相对压力下有

Figure 6. TG-DTG of the as-prepared precursor

图6. 典型样品前躯体的热重曲线

Figure 7. XRD pattern of the product obtained by calcination at 500˚C for 4 h in an air atmosphere

图7. 在空气氛围500℃下煅烧4 h得到的产物的XRD图

Figure 8. Nitrogen adsorption-desorption isotherm of CeO2/Fe2O3 composites

图8. CeO2/Fe2O3复合材料的氮气吸附–解吸等温线

急剧毛细凝聚现象,表明这两种材料以中孔为主。在低压段,氮气吸附量平缓增加,表明在介孔的内表面上N2分子量逐渐累积。在中间到高压阶段,吸附量急剧增加的同时出现明显的回滞环,表明此时中孔被毛细管凝聚N2分子填充。而材料孔径的分布决定了中间相对压力处出现毛细凝聚的位置、尺寸以及范围,毛细凝聚现象向更高的压力处移动表明孔径尺寸的增加,可能是材料中存在片状粒子堆积产生的狭缝孔。CeO2/Fe2O3复合材料在较高的P/P0下出现明显的回滞环,说明复合材料主要为中孔。

表1列出了CeO2/Fe2O3复合材料的比表面积、孔容及孔径。CeO2/Fe2O3复合材料以中孔为主,其孔径分布曲线上分别在10 nm和20 nm处出现了两个孔径分布,表明样品中具有不同尺寸级别的孔道。这对电极活性物质被电解液充分地浸润具有非常重要的作用。其中孔径为10 nm的小中孔贡献了大部分孔容,小级别的孔道能够最大限度地增大活性物质的比表面积,增加活性物质参与法拉第反应的活性位点。较大级别的孔道则能够为电解液离子的传输提供便利的通道,改善材料的倍率性能。测试结果表明,所制备的电极材料的比表面积为43.3 m2∙g−1,BJH平均脱附孔径为34.318 nm。

图9(a)、图9(b)和图9(c)分别为纯CeO2、纯Fe2O3和CeO2/Fe2O3电极材料在不同扫描速率下的循环

Table 1. Specific surface area, pore volume and pore size of CeO2/Fe2O3 composites

表1. CeO2/Fe2O3复合材料的比表面积、孔容及孔径

Figure 9. Cycle curves of pure CeO2 (a), pure Fe2O3 (b) and CeO2/Fe2O3 composites (c) at different sweep rates; (d): Cyclic voltammetry curves of pure CeO2, pure α-Fe2O3 and CeO2/Fe2O3 composites at a scan rate of 50 m V∙s1

图9. 纯CeO2(a)、纯Fe2O3(b)和CeO2/Fe2O3复合材料(c)在不同扫速下的循环曲线;(d):纯CeO2、纯α-Fe2O3和CeO2/Fe2O3复合材料在扫描速率为50 m V∙s−1的循环伏安曲线

伏安曲线。在不同的扫描速率下,曲线的形状并没有发生明显改变,说明该复合材料具有良好的倍率特性。其归因于复合材料的介孔特征有利于电解液离子迅速的迁移。随着扫描速率的增加,CV曲线的氧化还原峰分别向正方向和负方向移动、峰电位差不断增加,说明电极材料的极化增强、其反应过程受扩散控制。

图9(d)可知,在50 mv扫速下,复合材料中的氧化还原峰峰电流最高,其CV曲线面积最大,暗示该样品具有最高比电容。复合材料CV曲线中的氧化还原峰电流来源于CeO2和Fe2O3电化学氧化还原反应。根据复合材料的结构和组成分析结果,复合材料电极反应机理大概如下:

CeO 2 + e + H 2 O Ce 3 + OOH + OH

Fe 2 O 3 + 2 e + H 2 O 2 FeO + 2 OH

此外,复合材料的介孔结构适于电解质离子的扩散和传输。综上因素,基于CV曲线特征,复合材料表现出最优的超级电容器容量特性。

恒电流充放电测试是考察活性材料超级电容器特性的重要方法。图10(a)、图10(b)和图10(c)分别是

Figure 10. Charge and discharge curves of CeO2 (a), Fe2O3 (b) and CeO2/Fe2O3 composites (c) at different current densities; (d): charge-discharge curves of pure CeO2, pure α-Fe2O3 and CeO2/Fe2O3 composites at a current density of 1 A∙g1

图10. CeO2(a)、Fe2O3(b)和CeO2/Fe2O3复合材料(c)在不同电流密度下的充放电曲线;(d):纯CeO2、纯α-Fe2O3和CeO2/Fe2O3复合材料在电流密度为1 A∙g−1的充放电曲线

Figure 11. AC impedance curve of composite material (a) and specific capacitance curve at different sweep speeds (b)

图11. 复合材料的交流阻抗曲线(a)及在不同扫速下比电容曲线(b)

纯CeO2、纯Fe2O3和CeO2/Fe2O3电极材料在不同电流密度时的充放电曲线。从充放电曲线我们可以看出电极材料的比电容法拉第赝电容,在曲线的中段,充放电曲线发生弯曲说明发生了电化学氧化还原反应,即赝电容行为。另外,从图10(d)中我们可以看到复合材料的充放电时间明显要长,而且充放电曲线更弯曲,赝电容效果更为明显,表明其应具有更高赝电容和总比电容量,趋势与CV曲线结果相一致。

图11为三种不同电极材料的交流阻抗曲线。从图11(a)中可知,在高频区纯CeO2、纯Fe2O3和CeO2/Fe2O3电极材料的交流阻抗曲线与实轴的交点分别为0.30 Ω,0.20 Ω,0.21 Ω。由于其代表的欧姆电阻(Rs)中,电解液与电极材料、电极材料与集流体之间的接触电阻非常小,所以我们把交点的阻值近似的看作电极材料的内阻。我们知道纯CeO2和Fe2O3的导电性很差,从其阻抗曲线的高频区不成半圆弧也可以得出,这种电极材料的荷电转移电阻极大。因此,复合材料的阻抗会增加,这是因为导电性差的材料发生团聚从而阻碍电子的传输,可以通过使用碳模板或者掺杂其他金属来解决此类问题。

图11(b)为纯CeO2、纯Fe2O3和CeO2/Fe2O3电极材料在不同扫速下计算得到的比电容曲线。从图中可以看出,随着扫速的增大,3个样品的比容量均有所下降,但无论低倍率还是高倍率,CeO2/Fe2O3电极材料的电容性能均高于两种纯物质,表明其具有更好的超级电容器性能,当扫速为1 mv/s时,CeO2/Fe2O3电极材料的比电容为332.9 F/g。

4. 结论

常温(32℃)条件下,通过沉淀法成功制备出松塔双锥形前驱体,并在500℃空气氛围中煅烧4 h得到的复合材料CeO2/Fe2O3作为电极表现出优异的可逆性,在2 mol/L KOH溶液中,电位窗口0.18~0.45 V (vs. SCE)时,CeO2/Fe2O3电极表现出良好的倍率性能,在电流密度为1 mV/s时,其比电容为332.9 F/g,该复合材料作为超级电容器的电极材料具有更广泛的意义。另外,该工作中得到CeO2/Fe2O3是堆积而成的复合材料,稳定性差,因此设想为该松塔双锥复合材料“搭建”碳骨架保护网,同时提高材料的稳定性和导电性。

基金项目

江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ13215),江西师范大学博士后研究人员科研项目,江西师范大学博士启动基金项目,国家自然科学基金(No. 21641008,91622105,61201104,21301078),江西省对外科技合作计划(No. 20151BDH80049),江西师范大学第三批青年英才培育资助计划项目,江西省博士后科研项目,江西师范大学校青年成长基金项目。

参考文献

文章引用:
张航, 徐婧, 丁燕, 赖金盛, 夏丽娟, 李梦梦, 王雷, 钟声亮. CeO2/Fe2O3复合材料的合成及其电化学性能研究[J]. 材料科学, 2018, 8(9): 905-916. https://doi.org/10.12677/MS.2018.89106

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