本發(fā)明涉及納米材料，特別是涉及一種納米γ-fe2o3/碳基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、超級電容器是一種介于普通電容器和電池之間的新型能源存儲(chǔ)裝置，相比于傳統(tǒng)電容器具有更高的電容量和能量密度，相比于儲(chǔ)能電池具有更高的功率密度，并且超級電容器還具有較快的充放電速度、較寬的工作溫度范圍以及較長的使用壽命，在諸多領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

2、fe2o3作為過渡金屬氧化物具有較高的理論比電容量，且對環(huán)境友好、資源豐富、價(jià)格低廉，在作為超級電容器電極材料方面展現(xiàn)了超高的應(yīng)用前景。但由于其本身具有較強(qiáng)的磁性，因此在制備過程中往往會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致其比表面積與孔隙率大大降低，這直接限制了其電化學(xué)性能。碳基負(fù)載材料通常指的是將碳納米管、石墨烯等碳基材料作為載體，將金屬納米顆粒、催化劑等其他物質(zhì)負(fù)載在碳載體表面或內(nèi)部，碳負(fù)載材料在催化、能源存儲(chǔ)、傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。因此將納米級的fe2o3負(fù)載在碳納米管、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯等不同碳基材料上，可使納米fe2o3的團(tuán)聚問題得到改善，并且這些碳負(fù)載材料都具有比表面積大，吸附性能強(qiáng)和導(dǎo)電性優(yōu)異等特點(diǎn)，這能極大的增強(qiáng)了fe2o3的電化學(xué)性能。

3、目前人們對于納米γ-fe2o3復(fù)合材料的制備有一定的研究，如在公開號cn108257793a的發(fā)明專利提供了一種碳納米管/三氧化二鐵復(fù)合材料的制備方法，但需要將復(fù)合溶液進(jìn)行加熱處理，最低加熱溫度為90℃，耗能較高，操作過程復(fù)雜，且最優(yōu)的電化學(xué)性能僅為318f/g。在公開號cn112670094a的發(fā)明專利中，提出了一種三氧化二鐵納米花修飾的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其制備過程繁雜，需在高溫高壓下進(jìn)行，操作難度高、操作過程危險(xiǎn)，耗能高，且比電容僅為337f/g。

4、因此，如何提供一種制備過程簡單、電化學(xué)性能優(yōu)異的fe2o3/碳基復(fù)合材料是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種納米復(fù)合材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有納米γ-fe2o3復(fù)合材料制備過程復(fù)雜、耗能高、安全性差且電化學(xué)性能較差的問題。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、在本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種納米復(fù)合材料，所述納米復(fù)合材料由γ-fe2o3納米材料和碳基材料復(fù)合而成，所述碳基材料至少占所述γ-fe2o3納米材料質(zhì)量的4％。

4、優(yōu)選的，所述碳基材料包括單壁碳納米管、多壁碳納米管、單層氧化石墨烯、多層氧化石墨烯、單層還原氧化石墨烯、多層還原氧化石墨烯、活性炭、碳納米纖維中的至少一種。

5、在本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種上述任一項(xiàng)所述的納米復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

6、(1)將亞鐵鹽溶液、碳基材料和氧化劑混合，得到混合液；

7、(2)將所述混合液與堿性溶液混合，經(jīng)陳化、后處理，得到納米復(fù)合材料；

8、設(shè)定碳基材料的種類數(shù)量為n，則n的取值為大于0的整數(shù)。

9、優(yōu)選的，當(dāng)n＝1時(shí)，步驟(1)為：將亞鐵鹽溶液與碳基材料混合后超聲，得到混合液a，再將所述混合液a與所述氧化劑混合，得到混合液。在這種混合方式中，首先將亞鐵鹽溶液與碳基材料混合后超聲，使得亞鐵鹽均勻且充分的附著于碳基材料，而后通過滴加氧化劑提高溶液的電位，為制備過程提供氧化環(huán)境，將二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵。

10、優(yōu)選的，當(dāng)n＝1時(shí)，步驟(1)為：將亞鐵鹽溶液與氧化劑混合，得到混合液b，再將所述混合液b與所述碳基材料混合后超聲，得到混合液。在這種混合方式中，首先將亞鐵鹽溶液與氧化劑混合得到氧化反應(yīng)料液，提高溶液的電位，將二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵，而后加入碳基材料充分混合超聲，使得三價(jià)鐵均勻且充分的附著于碳基材料上。

11、優(yōu)選的，當(dāng)n的取值為大于1的整數(shù)時(shí)，步驟(1)為：將亞鐵鹽溶液與一部分碳基材料混合后超聲，得到混合液a，再將所述混合液a與所述氧化劑混合，繼續(xù)添加剩余部分的碳基材料混合后超聲，得到混合液。

12、優(yōu)選的，當(dāng)n的取值為大于1的整數(shù)時(shí)，步驟(1)為：將亞鐵鹽溶液與全部碳基材料混合后超聲，得到混合液a，再將所述混合液a與所述氧化劑混合，得到混合液。

13、優(yōu)選的，所述亞鐵鹽溶液包括草酸亞鐵溶液、硫酸亞鐵溶液、氯化亞鐵溶液中的任意一種或幾種。

14、優(yōu)選的，所述氧化劑為過氧化氫溶液，氧化劑選擇過氧化氫是為了不在整個(gè)制備體系中引入其他金屬雜質(zhì)而對最終目標(biāo)產(chǎn)物的形成產(chǎn)生影響，若選用高錳酸鉀作為氧化劑，則會(huì)引入錳金屬離子，容易得到不純的目標(biāo)產(chǎn)物。

15、優(yōu)選的，所述碳基材料包括單壁碳納米管、多壁碳納米管、單層氧化石墨烯、多層氧化石墨烯、單層還原氧化石墨烯、多層還原氧化石墨烯、活性炭、碳納米纖維中的至少一種。

16、優(yōu)選的，所述亞鐵鹽溶液與所述氧化劑的摩爾比為0.007:(0.01-0.03)。

17、優(yōu)選的，所述亞鐵鹽與所述碳基材料的質(zhì)量比為1：(0.0176-0.0528),更優(yōu)選為1:0.044。

18、優(yōu)選的，所述亞鐵鹽溶液以亞鐵鹽為溶質(zhì)，以水或添加劑為溶劑制備得到，所述亞鐵鹽與水或添加劑的質(zhì)量比不超過1:28。

19、優(yōu)選的，所述添加劑包括n-甲基吡咯烷酮(nmp)、季銨鹽類化合物、醇類化合物中的任意一種或幾種。

20、優(yōu)選的，所述季銨鹽類化合物包括但不限于十四烷基三甲基溴化銨(ttab)、十二烷基三甲基溴化鈉(dtab)、十六烷基三甲基溴化鈉(ctab)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(ddbac)、n-甲基乙酰胺(nma)、二甲基乙酰胺(dma)中的任意一種或幾種。

21、優(yōu)選的，所述醇類類化合物包括但不限于乙醇、乙二醇(eg)、聚乙烯醇(pva)、聚乙二醇(peg)中的任意一種或幾種

22、優(yōu)選的，所述亞鐵鹽溶液與所述堿性溶液的摩爾比為0.007：(0.014-0.07)。

23、優(yōu)選的，所述堿性溶液與所述添加劑的體積比為1：(0-2)，更優(yōu)選為1:2。

24、優(yōu)選的，步驟(1)-(2)中，所述混合反應(yīng)溫度為20-80℃。

25、優(yōu)選的，步驟(2)中，所述干燥溫度為70-90℃，干燥時(shí)間為2-4h。

26、在本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供了一種上述任一項(xiàng)所述的納米復(fù)合材料和/或上述任一項(xiàng)所述方法制備得到的納米復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用。

27、本發(fā)明提供了一種納米復(fù)合材料，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

28、本發(fā)明通過復(fù)合一種或多種碳基材料得到不同種類的γ-fe2o3復(fù)合材料，用以優(yōu)化其作為超級電容器電極材料的電化學(xué)性能，達(dá)到進(jìn)一步提高其比電容大小的目的。

29、本發(fā)明提供的制備工藝流程簡單，只需通過簡單的液相沉淀反應(yīng)即可一步制備得到目標(biāo)產(chǎn)物，且反應(yīng)條件溫和，只需在常溫常壓下反應(yīng)，不需經(jīng)過高壓釜或高溫煅燒、不需制備前驅(qū)體即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。

30、本發(fā)明制備得到的復(fù)合材料中的γ-fe2o3平均尺寸在10-20nm，外貌形狀呈現(xiàn)為納米顆粒狀，充分且均勻的分布于碳基材料上，分散性較好，且回收率在80％～90％左右。