以石墨烯纳米带为骨架的三维海绵体的合成及其储锂性能

基于石墨烯纳米片或者碳纳米管的三维多孔碳材料，因其丰富的孔结构、高比表面积、高导电性等特点，在储能、催化、传感、晶体管等领域具有广阔的应用前景。重庆大学李新禄教授（点击查看介绍）课题组采用Na/K合金将碳纳米管纵向切割成石墨烯纳米带（GNRs），并以石墨烯纳米带作为骨架，采用简单的回流方法通过Fe₃O₄纳米胶粒的铰链作用将石墨烯纳米带交联成三维海绵体结构（如图1所示），即3D Fe₃O₄@GNRs，成功解决了三维多孔石墨烯材料合成复杂、结构容易坍塌、金属氧化物易脱落等难题。纳米Fe₃O₄不仅可以担当网络结构的铰链固定作用，同时纳米Fe₃O₄还可以作为储锂活性物质和电催化剂，该复合材料可广泛用作锂离子电池负极、电催化剂以及磁性记忆材料，其合成工艺简单易行，易于规模化生产。

图1.（a）3D Fe₃O₄@GNRs的合成路线以及（b-c）SEM，（d）TEM图。

3D Fe₃O₄@GNRs在用作锂离子电池负极时，表现出超高的容量、优异的循环稳定性和倍率性能。在0.1 A/g 的电流密度下，首次放电用量达到1890 mAh g⁻¹ ，在100次的循环后依旧可以达到1700 mAh/g的容量，这是迄今为止纳米铁氧化物复合负极材料所能达到的最高储锂容量；在1 A/g 的的电流密度下，经过200次循环也能达到800 mAh/g的容量（如图2所示）。3D Fe₃O₄@GNRs的优点在于：首先，量子点尺寸的Fe₃O₄纳米颗粒在GNRs的表面均匀分散，从而提高了Fe₃O₄的导电性和电化学反应活性。其次，3D Fe₃O₄@GNRs多孔互联网络的结构为锂离子供了良好的传质途径，提高了锂离子从电解液中的迁移速率，从而保证了高功率锂离子电池的高倍率性能。最后，多孔三维石墨烯纳米带海绵体的结构有利于电解液的渗透和锂离子的穿插，有益于保持电极活性物质的高反应活性。此外，石墨烯纳米带具有开放的边缘和有序的分层结构可以为整体的容量贡献可逆的容量。该项工作为金属氧化物@石墨烯纳米带海绵复合材料的合成和应用提供了新的思路和做法。

图2. 3D Fe₃O₄@GNRs和空白样Fe₃O₄电极的电池测试数据（a）0.1 A/g 电流下的循环测试，（b）3D Fe₃O₄@GNRs 电极的前3圈充放电曲线图，（c）3D Fe₃O₄@GNRs和空白样Fe₃O₄电极的倍率测试图，（d）3D Fe₃O₄@GNRs 电极在1 A/g的循环测试图。

该项研究成果发表在英国皇家化学学会的Journal of Materials Chemistry A 上。该项研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、重庆市基础科学与前沿技术研究专项和重庆市研究生创新项目的资助。

该论文作者为：Xiyu Zhao, Xinlu Li,* Shilei Zhang, Junjun Long, Yanchun Huang, Ronghua Wang, Junwei Sha

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A three-dimensional sponge of graphene nanoribbons crosslinked by Fe₃O₄ nanoparticles for  Li⁺ storage

J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 23592-23599, DOI: 10.1039/C7TA07874A

导师介绍

李新禄

http://www.x-mol.com/university/faculty/26733