● 摘要
铁氧化物及其复合材料由于具有优异的电化学、催化、磁学等特性，在电极材料、催化剂、气敏元器件等方面具有广阔的应用前景。本文围绕铁氧化物及其复合材料的合成、表征以及性能研究而展开，并研究了样品尺寸、结构变化对材料光催化性能和电化学性能的影响。主要工作包括以下三个部分：首先，采用温和的化学法以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板合成比表面积高达225 m2/g的多级结构α-FeOOH前驱体，热处理后合成的α-Fe2O3纳米材料保持相似的形貌，并且具有类似电子传递通道的网状微结构。研究发现，样品的光催化降解率达到92 %，而粒径为30 nm的α-Fe2O3纳米颗粒的降解率仅为23 %。同时，锂电池性能测试表明，样品循环37次后仍具有560 mAh/g的储存容量，明显高于Fe2O3纳米颗粒360 mAh/g的储存容量。电化学阻抗图表明，样品的电导率明显高于Fe2O3纳米颗粒的电导率，具有更高的电子转移速率。光催化和电化学性能的显著提高可归因于所合成的材料具有高的比表面积、介孔和多级结构。接着，我们简化实验方法，采用直接燃烧法，以乙二醇（EG）为燃料，硝酸铁为铁源，利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）进行表面修饰，合成了Fe-Fe2O3纳米复合材料。产物具有网络状稳定结构，由平均粒径为50 nm的Fe2O3颗粒连接生长而成；其中夹杂着粒径为5~10 nm的单质Fe小颗粒。光催化性能测试表明，样品第一次光催化降解率达到80 %，经四次催化循环后，其降解率稳定在50 %，远远优于商用Fe2O3纳米材料（第一次光催化降解率为40 %，第三次仅为20 %）。样品的光催化性能及循环性能的改善归因于材料具有高结晶性、燃烧法带来的稳定网络结构及掺入的Fe纳米晶粒。基于上述网络状Fe-Fe2O3复合材料的研究，通过表面包覆碳材料，分别合成碳层厚度为2 nm、5 nm和8 nm的Fe3O4/C纳米复合材料。电化学测试表明，碳层厚度为8 nm的Fe3O4/C电极第1次循环的充电容量达到724 mAh/g，第30次循环的充电容量为619 mAh/g，容量保持率高达85 %。而相同条件下，碳层为2 nm 和5 nm的Fe3O4/C电极的容量保持率仅为44 %和41 %。碳层厚度为8 nm的Fe3O4/C复合材料表现出更优异的循环稳定性和容量保持率，主要归因于较厚的碳层可以提高Fe3O4/C复合材料的导电性和结构稳定性，有效缓解Fe3O4材料“晶格膨胀”的影响并抑制“团聚”现象。