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氧化铁石墨烯复合材料在电化学能源存储和转化领域研究现状及展望
金陵 2016-08-23
导语

随着人类面临的能源和环境压力越来越显著,世界各国都加强了对能源和环境问题的重视与研究,能源储存与转化成为了近几年来备受关注的研究方向。本文是天津大学刘昌俊教授关于氧化铁石墨烯复合材料在电化学能源存储和转化领域的研究现状和展望。

随着人类面临的能源和环境压力越来越显著,世界各国都加强了对能源和环境问题的重视与研究,能源储存与转化成为了近几年来备受关注的研究方向。其中我们生活中最常见的也是最为重要的就是电能的存储和转化。电池的使用是电能利用的重要组成部分,对电极材料的研究因此显得尤为重要。越来越多的科研工作者们致力于开发性能优越、价格低廉的电极材料,在近几年取得的相关研究报道也层出不穷。 

图:氧化铁石墨烯复合材料的应用

氧化铁石墨烯复合材料正是近年来电化学领域研究的明星材料之一。2015年1月,天津大学化工学院王宗元博士、刘昌俊教授在Nano Energy期刊上联合发表了一篇题为《氧化铁石墨烯复合材料在电化学能源存储和转化领域的研究现状和展望》的论文,综述了氧化铁石墨烯复合材料的合成方法以及在电化学能源存储和转化领域的研究进展,总结了氧化铁石墨烯复合材料在电化学领域的应用,详细归纳了该材料的制备方法,并列举了该材料已报道的各自结构和形貌。该论文发表至今在一年半的时间内已受到广泛关注和认可,被多次引用。

王宗元介绍, 氧化铁石墨烯复合材料目前涉及的电化学方面的应用包括锂离子电池、超级电容器和燃料电池。氧化铁(包括Fe3O4,α-Fe2O3和γ-Fe2O3)是制作电化学器件非常有前途的材料,不仅具有成本低、无毒性、化学稳定性好等优点,还具有较高的理论电容量。但在实际使用时又因为自身导电性的不足以及反应的循环稳定性差等问题受到了限制。石墨烯因其具有超高的比表面积,较高的导电性,优异的化学和热力学稳定性,以及独特的光、热、机械性能,成为了非常合适作为制作电化学能源存储和转化器件的材料。负载氧化铁在石墨烯上,不仅能够弥补氧化铁的这些缺点,还能够降低石墨烯本身层层之间的重新堆叠,从而提高石墨烯的性能。这一过程很好的发挥两者作为电极材料的优势,弥补了各自的不足。协同效应使得该复合材料作为电极材料的性能比单一使用氧化铁或石墨烯都更为优秀。

图:不同组成和形貌的氧化铁石墨烯复合材料的电子显微镜照片

已报道的制备氧化铁石墨烯复合材料的制备方法很多。比如最常见的有,水热合成法、热分解法、化学沉淀法,这些方法都方便进行大批量的制备。其他方法,比如溶胶凝胶法、原子层沉积法、微波加热法、等离子体合成法、电化学法和水解法等,能够对合成的材料的结构和电化学性能进行更进一步的调控。合成过程,石墨烯表面的官能团和缺陷对所合成的材料的结构有非常重要的影响。文章中列举了近20种已报道的组成或形貌不同的氧化铁石墨烯复合材料。材料结构的设计,尤其是对官能团和缺陷的调控,给予全世界的研究者无限的机遇和挑战。

 另据了解,王宗元所在的天津大学化工学院长江学者刘昌俊教授课题组,主要研究方向为等离子体技术在催化、能源环境、生物合成和3D打印等方向的应用。人们日常感受到的物质多是固、液、气“三态”。然而,现在的日常生活也越来越离不开物质的第四态“等离子体”,尽管可能多数人对等离子体并不熟悉。等离子体就是指电离气体,是电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体。随着科学技术发展,等离子体越来越多地出现在人们的日常生活中,如等离子体电视。该课题组结合等离子体技术在能源储存与转化领域,已开展大量研究工作,取得一定研究进展,并在ACS Nano, Nano Energy等国际高水平期刊发表多篇论文。比如,利用等离子体技术合成的催化剂表现出了优秀的电催化光催化性能

文章链接:

1. Zongyuan Wang, et al, "Preparation and Application of Iron Oixde/Graphene Based Composites for Electrochemical Energy Storage and Energy Conversion: Current Status and Perspective," Nano Energy, 11, 277-293, 2015

2. Wei Wang, et al, "Highly active and stable Pt (111) catalysts synthesized by peptide Assisted room temperature electron reduction for oxygen reduction reaction," Nano Energy, 25, 26–33, 2016

3.Yun-Xiang Pan, et al, "Peptide Self-Assembled Biofilm with Unique Electron Transfer Flexibility for Highly Efficient Visible-Light-Driven Photocatalysis," ACS Nano, 9 (11), 11258–11265, 2015

(本文来源:天津大学网站;)

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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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