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利用Li的优良的存储性能通过牺牲部分模版的方法制备花状ZnO—Fe2O3纳米薄膜 金属0901 3090702015 刘凯凯 在这项研究中，我们报告了在铜箔表面制备花状ZnO—Fe2O3纳米薄膜和Li的优良的存储性能。这种薄膜通过“牺牲部分模版”的方法制备，这种方法涉及到将ZnO纳米棒阵列浸入含有铁的硫化物的水溶液中然后在350℃焙烧。开始，ZnO基体部分溶解于由FeSO4水解而形成的酸性溶液中，之后，开始形成花状结构。结果ZnO—Fe2O3纳米薄膜不但表现出与原始模版明显的结构差异，而且在性能上表现出了高的可逆容量达776 mAh g-1（高达50个周期）以及作为阳极锂离子电池的优良的循环性能和倍率特性。这种机制是由于材料优良的电子化学性能所致。而这种性能又依赖于高的的电子传导能力，优良的物理缓冲性能和多孔的花状结构。这种研究与发现对于在金属基体上制备纳米薄膜提供了可代替的方法，而且有可能将应用于能源储存装置和传感器设备。 简介： Fe2O3是铁的氧化物中最稳定的相，而且已经在气体传感器，催化剂，场发射，磁存储等领域被广泛研究。近来，Fe2O3由于具有高的理论存储能力和它在自然界中高的含量因而被认为是比较有发展前途的阳极锂离子电池材料。然而，由于Fe2O3在锂化和脱锂过程中较大的体积变化和低的电子传导能力阻碍了它循环性能的和倍率特性的提高。一个比较有效的减小Fe2O3体积变化的方法就是制作纳米尺度的Fe2O3。另一方面，在金属基体上生长的Fe2O3纳米薄膜有利于倍率特性的提高，因为它能确保电子在Fe2O3薄膜和电流收集器之间的直接接触，并且使电子和离子具有较短的扩散路径，电解质具有较大的表面积，和比较优良的协变性能。即使不同形态的Fe2O3合成方法已经有了 比较大的进步，但是能在金属基体上制备纳米Fe2O3薄膜使其可能应用于电子化学储能装置和化学传感器方面仍然面临着巨大的挑战。 纳米ZnO薄膜（包括纳米棒阵列等等）可以通过水解反应，电化学合成反应，外延生长，脉冲激光沉积等方法获得。与另外一些纳米薄膜相比，纳米ZnO薄膜由于具有良好的结构通用性而且易于制备和应用的特性，使其成为比较理想的纳米结构模版。例如，Liu et al. 在金属基板上利用ZnO纳米棒阵列为模版制备了ZnO–C纳米棒阵列，Fe2O3 和Fe3O4纳米管阵列。在以前的报告中，我们曾通过应用蒲公英状的ZnO纳米棒阵列作为模版制备出了花状ZnO–NiO–C和ZnO–CoO–C纳米薄膜作为锂离子电池的阳极结构。总之，结果是制备出的纳米薄膜表现出了和原始ZnO模版相同的结构和形态。而且，这种薄膜的电子传导性能还需要进一步提高。 在这项研究中，通过“牺牲部分模版”的方法在铜箔表面制备花状ZnO—Fe2O3纳米薄膜。这种方法利用了可在酸中溶解的蒲公英状ZnO纳米阵列为模版并且利用有较高水解性的FeSO4作为初期形式。这种模版部分被从FeSO4水解而产生的H+溶解，并且这一过程加速了FeSO4的水解，这是制作花状结构的重要步骤。然而，在这项试验中，模版不但是最终产物的组成部分，而且也使最终产物与原始模版相比而言有了不同的形态。更值得关注的是，ZnO—Fe2O3纳米薄膜作为锂离子电池的阳极材料具有高的可逆容量，良好的电容保持能力和倍率特性。即使在以前就已经合成了花状Fe2O3纳米薄膜，但是没有关于利用牺牲部分模版的方法合成ZnO—Fe2O3纳米薄膜的报告以及它在电子化学能源存储装置方面的应用。由于模版和初期形式选择的灵活性，这种方法更能扩大纳米薄膜在电能，催化剂和传感器方面的应用。 (图一：花状ZnO—Fe2O3纳米薄膜的制备) 实验过程: ZnO—Fe2O3纳米薄膜的制备过程如下：首先，利用阴极沉积的方法在铜箔表面镀Zn，将铜箔浸入组成为ZnCl2 (65 g L-1), KCl (190 g L-1), H3BO3(30 g L-1)的水溶液中，电流密度控制在10 mA cm-2在室温下反应140s。然后，将镀Zn铜箔浸入0.13 M氨溶液(NH3·H2O, 25%)在80℃反应4h就得到了蒲公英ZnO纳米棒阵列。将所获得的ZnO纳米棒阵列浸入10 mM–0.2 M的 FeSO4 溶液中保持5–30 min，溶液的成分如Table 1所示。然后用蒸馏水洗涤样品并烘干。将所获得的薄膜Ar气保护下在350℃下焙烧30min。 将以上所得ZnO—Fe2O3纳米薄膜切成直径为1.1 cm的圆片作为锂离子电池的工作电极，Li箔用作计数器和参比电极，电解液为：体积比为1 : 1的1.0 MLiPF6 与硫酸乙烯酯(EC)的混合液和硫酸甲酯(DMC)。纽扣电池装在Ar气氛的手套箱中。通过由电子计算机控制的电池测试仪在电压为0到3.0