Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Kemajuan dalam Struktur Nano Berbasis Oksida Besi untuk Aplikasi dalam Penyimpanan Energi

Abstrak

Permintaan akan perangkat penyimpanan energi yang ramah lingkungan dan efisien dalam kehidupan sehari-hari terus meningkat, yang disebabkan oleh masalah lingkungan dan energi global. Baterai lithium-ion (LIB), jenis perangkat penyimpanan energi yang penting, menarik banyak perhatian. Grafit digunakan sebagai anoda LIB, namun kapasitas teoritisnya rendah, sehingga perlu dikembangkan anoda LIB dengan kapasitas yang lebih tinggi. Strategi aplikasi dan kemajuan penelitian oksida besi baru dan kompositnya sebagai anoda LIB dalam beberapa tahun terakhir dirangkum dalam ulasan ini. Di sini kami menghitung beberapa metode sintesis yang khas untuk mendapatkan berbagai struktur nano berbasis oksida besi, seperti deposisi fase gas, kopresipitasi, metode elektrokimia, dll. Untuk karakterisasi struktur nano berbasis oksida besi, terutama difraksi sinar-X in-situ dan 57 Spektroskopi Fe Mössbauer diuraikan. Selanjutnya, aplikasi elektrokimia dari struktur nano berbasis oksida besi dan kompositnya dibahas dan diringkas.

Abstrak Grafis

Pengantar

Masalah energi dan lingkungan global menyebabkan meningkatnya permintaan akan energi hijau yang sangat efisien, misalnya, energi surya, sel bahan bakar, baterai lithium-ion (LIB) dan modul termoelektrik, dll. [1,2,3,4,5,6, 7,8,9,10,11]. Penelitian dan pengembangan sistem penyimpanan energi berperforma tinggi dan berbiaya rendah merupakan solusi penting untuk masalah ini. Di antara perangkat penyimpanan energi dengan aplikasi yang luas, LIB merupakan kandidat penting untuk sistem penyimpanan energi yang sangat efektif [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]. Namun, anoda grafit komersial saat ini memiliki keterbatasan, misalnya, kapasitas teoretis yang relatif rendah (372 mA h g −1 ), dan beberapa bahan aktif elektrokimia diusulkan untuk diterapkan dalam LIB [25,26,27,28,29]. Pada tahun 2000, Poizot dkk. [30] melaporkan bahwa oksida logam transisi (TMO) dianggap sebagai semacam anoda penting dalam LIB karena kapasitas teoritisnya yang tinggi 2-3 kali lipat dari grafit. Oleh karena itu, TMO dan komposit terkait menarik banyak perhatian sebagai anoda LIB. Selama proses penyisipan/ekstraksi lithium, TMO memiliki reaksi berikut [31].

$${\text{M}}_{x} {\text{O}}_{y} + 2th{\text{e}}^{ - } + 2th{\text{Li}}^{ + } \leftrightarrow x{\text{M}}^{0} + y{\text{Li}}_{2} {\text{O}}$$ (1)

di mana, M mewakili Ni, Cu, Fe, Co, dll. Selama proses penyisipan litium, oksida-oksida ini direduksi oleh litium, dan komposit yang terdiri dari gugus logam yang terdispersi dalam matriks Li2 amorf O terbentuk [30, 31].

Di antara TMO, anoda berbasis oksida besi adalah salah satu jenis kandidat yang sangat baik dengan potensi besar dalam LIB karena mereka memiliki keunggulan seperti, kelimpahan, biaya rendah dan tidak beracun [32, 33]. Namun, sama seperti TMO lainnya, oksida besi yang berfungsi sebagai anoda LIB memiliki dua masalah kritis. Salah satunya adalah kapasitas ireversibel yang besar, yang disebabkan oleh dekomposisi elektrolit dan pembentukan lapisan antarmuka elektrolit padat (SEI) pada proses pelepasan pertama. Selain itu, pembentukan Fe dan Li2 O secara termodinamika layak, dan ekstraksi ion litium (Li + ) dari Li2 O secara termodinamika tidak stabil [34], karena bagian dari Li + tidak dapat diekstraksi dari Li2 O terbentuk pada proses pelepasan pertama. Ini juga menghasilkan kapasitas ireversibel parsial. Masalah lainnya adalah stabilitas siklusnya yang rendah terutama disebabkan oleh variasi volume yang besar dan agregasi Fe yang parah dalam insersi/deinsersi Li + , menyebabkan penghancuran elektroda dan peluruhan kapasitas yang cepat [3]. Untuk solusi masalah ini, banyak upaya difokuskan untuk mengatasi masalah ini dan beberapa pendekatan yang sangat efektif diusulkan. Sejauh pengetahuan kami, satu strategi yang sangat efektif adalah struktur nano dari oksida besi [3, 35]. Untuk beberapa struktur nano yang unik, variasi regangan dan volume dihasilkan dari penyisipan/deinsersi Li + akan dihambat sebagian besar, juga Li + dapat menyebar dalam elektroda dengan mudah, yang mengarah ke peningkatan kinerja elektrokimia anoda secara signifikan [11]. Selanjutnya, bahan karbon, misalnya, serat karbon (CFs), nanotube karbon (CNTs), graphene, dan karbon pirolisis, dll diperkenalkan untuk pengomposisian dengan oksida besi [36,37,38]. Variasi volume elektroda komposit dalam pengisian/pengosongan dapat disangga oleh bahan berkarbon ini dengan struktur unik, sehingga kontak elektronik dan stabilitas siklus struktur nano oksida besi meningkat.

Dalam ulasan ini, strategi yang baru-baru ini dikembangkan dan pembaruan penelitian penting tentang oksida besi (Fe1−x O, Fe2 O3 , Fe3 O4 ) berbasis struktur nano dengan aplikasi dalam LIB dan superkapasitor diuraikan dan diringkas. Secara khusus, kami berkonsentrasi pada sintesis dan desain struktur nano berbasis oksida besi, serta kinerja elektrokimianya.

Wustite (Fe1−x O)

Wustite (Fe1−x O) adalah senyawa non-stoikiometri dengan 0 < x < 0,0464 [11]. Ini memiliki struktur kubik batu garam, dan konstanta kisinya adalah ~ 4.330 [11]. Biaya1−x O, dibandingkan dengan Fe2 O3 dan Fe3 O4 , memiliki aplikasi yang lebih sedikit dalam penyimpanan energi karena kapasitas spesifiknya yang relatif rendah dan fase metastabil di bawah 843,15 K yang cenderung terurai menjadi Fe dan Fe3 O4 . Namun, Fe1−x O, anoda yang sangat menjanjikan untuk LIB, memiliki konduktivitas listrik yang lebih tinggi daripada Fe2 O3 dan Fe3 O4 .

Sintesis dan Karakterisasi

Sejauh yang kami ketahui, pengomposisian TMO dengan cakupan kinerja tinggi memiliki potensi besar untuk anoda LIB kinerja tinggi [7]. Dalam LIB, mekanisme elektrokimia anoda wustite digambarkan sebagai persamaan berikut [8].

$${\text{FeO}} + 2{\text{Li}}^{ + } + 2{\text{e}}^{ - } \leftrightarrow {\text{Fe}} + {\text{Li }}_{2} {\text{O }}$$ (2)

Komposit FeO/C disintesis menggunakan metode yang mudah oleh Gao et al. [31]. Dalam sintesisnya, -Fe2 O3 partikel dengan ukuran 30-120 nm dicampur dengan asetilen hitam (AB) dari persentase yang berbeda, dan campuran seragam diperoleh dengan penggilingan bola. Kemudian campuran -Fe2 O3 dan AB direduksi secara karbontermal pada 800 °C selama 10 jam di N2 atmosfer untuk mendapatkan komposit FeO/C yang seragam. Komposit FeO/C memiliki stabilitas siklus yang jauh lebih tinggi daripada komposit Fe2 O3 /AB campuran. Ketika kandungan AB adalah 50 wt.%, kapasitas komposit FeO/C adalah 511 mA h g −1 , lebih tinggi dari 396 mA h g −1 dari Fe2 O3 /AB. Selain itu, kapasitas retensi setelah 50 siklus adalah > 96%, jelas 70–80% lebih tinggi dari Fe2 O3 /AB. Dapat dipercaya bahwa kinerja elektrokimia yang unggul dari komposit FeO/C harus dihasilkan dari konduktivitas listriknya yang lebih tinggi, yang dihasilkan dari penguatan koneksi partikel FeO dan AB setelah reduksi karbontermal.

Selanjutnya pada tahun 2016, Jung et al. [11] menyiapkan komposit kalium (K)-FeO/graphene sebagai anoda LIBs berdasarkan nanopartikel FeO yang didoping K dengan difusi termal K menjadi Fe2 O3 /graphene menggunakan reduksi poliol. Rhombohedral Fe2 O3 kristal diubah menjadi kristal FeO (kubus berpusat muka, FCC), menunjukkan jarak d yang luas (5,2 ) dari (111) bidang kristal, dengan kalsinasi Fe yang didoping-K2 O3 /grafena. Dibandingkan dengan Fe yang dipelajari sebelumnya2 O3 /graphene komposit [11], K-FeO/graphene menunjukkan kapasitas debit 1776 mA h g −1 dengan stabilitas siklus tinggi selama 50 siklus pada kepadatan arus 100 mA g −1 , sedangkan Fe2 O3 /graphene menghasilkan kapasitas debit 1569 mA h g −1 . Bahkan pada kerapatan arus tinggi 18,56 A g −1 , kapasitas K-FeO/graphene tetap pada 851 mA h g −1 setelah 800 siklus. Perbedaan ini jauh lebih besar setelah elektroda didaur ulang lebih lama pada rapat arus tinggi 18,56 A g −1 . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, dibandingkan dengan Fe2 O3 /graphene, anoda K-FeO/graphene memiliki struktur kristal dan mekanisme reaksi yang unik. Kapasitas debit yang tinggi dari K-FeO/graphene menunjukkan bahwa kapasitas spesifik dengan penyimpanan tambahan Li + harus disumbangkan dari kekosongan dan spasi d yang luas dalam kisi Wustite melalui difusi kalium ke Fe2 O3 kisi.

Dicetak ulang dengan Izin dari [11]. Hak Cipta, Elsevier B.V

Gambar SEM dari a Biaya2 O3 /graphene dan b K-FeO/graphene, dan sisipan di (a , b ) masing-masing adalah gambar yang diperbesar. Voltammogram siklik berulang dari c , d Fe2 O3 /elektroda graphene dan e , f elektroda K-FeO/graphene. Dua elektroda terus-menerus dipindai untuk siklus ke-51 dengan laju sapuan potensial 0,5 mV s −1 .

Difraksi Sinar-X In-Situ

Dengan difraksi sinar-X in-situ (XRD), informasi perubahan struktural waktu nyata selama proses reaksi sampel, dan sejumlah besar informasi yang sebanding dapat diperoleh dalam waktu singkat. Itu tidak hanya dapat mengamati perubahan struktural sampel selama proses sintesis, tetapi juga dapat digunakan untuk mendeteksi perubahan struktural sampel yang sesuai pada suhu yang berbeda di bawah muatan/pengosongan ke potensi tertentu, yang sangat berguna untuk memantau mekanisme reaksi yang sebenarnya. anoda/katoda pada baterai. Selain itu, kelompok kami mempelajari pengetahuan yang tepat tentang konstanta kisi wustite yang diperlukan untuk penyelidikan sifat fisik dan kimianya pada suhu tinggi. Fe1−x O disintesis dan dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-X suhu tinggi (RINT2000-TTR, Rigaku Denki Co., Ltd.) dengan balok paralel (Gbr. 2a) untuk mengukur puncak difraksi spesifik, dan hubungan antara komposisi dan konstanta kisi dari wustite pada suhu tinggi juga diselidiki. Proses sintesis wustit dengan -Fe (95 wt.%) dan Fe3 O4 (99% berat) bubuk sebagai bahan awal adalah reaksi eutektoid (Gbr. 2b). Reaksi ini dapat berlangsung antara 843,15 dan 1673,15 K pada Pco/Pco tertentu2 karena wustit tidak stabil di bawah 843,15 K, dan reaktannya adalah 19% Fe (wt.%) dan 81% Fe3 O4 (berat.%). Gambar 2c menunjukkan pola XRD reaktan awal (magnetit dan besi). Kondisi percobaan dijelaskan pada Tabel 1. Setelah membersihkan gas Helium (He) (25 ml min −1 ) ke dalam tungku sistem XRD selama 60 menit, reaktan dipanaskan dengan laju konstan 10 °C min −1 sampai suhu sampel mencapai 843,15 K yang juga berada di atmosfer He dengan laju alir 25 ml min −1 . Kemudian, gas He habis, dan CO/CO2 gas dengan rasio tertentu (misalnya, 1:1 dan 1:2) dibersihkan ke dalam tungku. Setelah kalibrasi suhu tinggi dengan melelehkan serpihan Au, suhu sebenarnya dari pemegang sampel dapat diperoleh. Dari 843,15 K hingga suhu yang diinginkan (1265,28 dan 1365,28 K), laju pemanasan adalah 2 °C min −1 dan XRD digunakan untuk mengukur sampel untuk konfirmasi fase wustite. Ketika sampel disimpan pada suhu yang diinginkan dan sebagian besar adalah fase wustite, sudut difraksi bidang kristal wustit diukur selama periode 240-420 menit, kemudian suhu sampel dinaikkan hingga 50 °C dan tetap pada suhu ini. selama 60 menit. Setelah prosedur ini, suhu sampel menurun ke suhu yang diinginkan sebelumnya dan pengukuran XRD untuk sudut difraksi bidang kristal wustit dilakukan lagi dalam periode 180–240 menit.

a Diagram skema dari XRD in-situ. b Kesetimbangan antara Fe, Fe1−y O, Fe3 O4 , CO, CO2 , dan karbon. c Pola XRD reaktan awal. d Pola XRD sampel yang disintesis pada Pco/Pco2 = 1:1. e Pola XRD sampel yang disintesis pada Pco/Pco2 = 1:2. f Konstanta kisi tampak fungsi NR yang berbeda dari wustit yang disintesis pada suhu dan Pco/Pco yang berbeda2 . g Hasil konstanta kisi wustite

Konstanta kisi dapat diperoleh dari ekstrapolasi linier konstanta kisi semu ke nol dari fungsi ini, yaitu, 2 Theta = 180 °. Puncak difraksi (111), (200), (220), (311), dan (222) bidang kristal wustit diindeks pada Gambar. 2d, e, dan pola XRD sampel diperoleh pada Pco/Pco 2 dari 1:1 dan 1:2, masing-masing. Hubungan antara konstanta kisi semu dan fungsi Nelson–Riley pada Pco/Pco yang berbeda2 dan suhu diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2f. Garis lurus mewakili kotak yang sesuai dengan data. Melalui garis lurus ini, konstanta kisi semu diekstrapolasi ke nol dari fungsi Nelson–Riley. Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2f:hasil konstanta kisi sebenarnya diperoleh pada suhu yang berbeda dan Pco/Pco2 adalah 4.355 (1265.28 K, Pco/Pco2 = 1:1), 4,346 (1265,28 K, Pco/Pco2 = 1:2), 4,362 (1365,28 K, Pco/Pco2 = 1:1) dan 4,354 (1365,28 K, Pco/Pco2 = 1:2), masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2g, konstanta kisi meningkat dengan peningkatan x dari Fe1−x O, dan semakin tinggi suhu, semakin besar konstanta kisi. Hubungan antara komposisi dan konstanta kisi wustit pada suhu tinggi dapat diperoleh sebagai berikut Persamaan. (3) dan (4).

$${\text{a}}\,\left( { {\AA} } \kanan) =3,919 + 0,474\left( {1 - x} \kanan){ }\left( {1265.28\,{\text { K}}} \kanan)$$ (3) $${\text{a}}\,\kiri( { {\AA} } \kanan) =3,994 + 0,400\kiri( {1 - x} \kanan ){ }\left( {1365.28\,{\text{ K}}} \kanan)$$ (4)

57 Spektroskopi Fe Mössbauer

57 Spektroskopi Fe Mössbauer melibatkan sifat-sifat nukleus, termasuk struktur tingkat energi nukleus dan lingkungan kimia di mana nukleus berada. Oleh karena itu, dapat diterapkan sesuai untuk mempelajari valensi atom, ionisitas ikatan kimia, bilangan koordinasi, struktur kristal, kerapatan elektron dan sifat magnetik sampel. 57 Spektroskopi Fe Mössbauer banyak digunakan dalam bidang kimia dan material. Di sini, kami menguraikan 57 Spektroskopi Fe Mössbauer untuk mengkarakterisasi oksida besi. 57 Spektroskopi Fe Mössbauer digunakan untuk membedakan dan mengkarakterisasi berbagai fase oksida besi, dan untuk memantau lingkungan lokal atom Fe dalam kisi kristal [39, 40].

Parameter hyperfine, seperti isomer shift (IS), quadrupole splitting (QS), quadrupole shift (ɛ T ) dan medan magnet yang sangat halus (B hf ) dapat diperoleh dengan menganalisis posisi garis spektral dalam spektrum Mössbauer [41, 42]. Karakteristik sampel dapat disimpulkan dari lebar dan asimetri garis spektral. Melalui ketergantungan suhu dan medan dari parameter hyperfine juga memungkinkan untuk menyimpulkan parameter yang berharga.

Aldon dkk. [42] mempelajari reaksi konversi yang diinduksi lithium dari Fe1−x O menggunakan 57 Spektroskopi Fe Mössbauer. Parameter hyperfine (IS dan QS) agak khas dari spesies FeII dalam antiferromagnetik (TN = 198 K [43]) Fe1−x O, menunjukkan penyerapan paramagnetik khas pada suhu kamar (RT). Seperti yang ditunjukkan dalam 57 Spektrum Fe Mössbauer (Gbr. 3a), ada tiga doublet yang diperluas dengan IS ~ 1 mm s −1 dan QS mulai dari ~ 0,50 hingga 1,50 mm s −1 , dan area relatifnya dikoreksi dari kontribusi magnetik -Fe. Intensitas penyerapan adalah 42, 26 dan 15%. Doublet keempat berpusat di IS ~ 0,55 mm s −1 , QS ~ 0,90 mm s −1 dengan luas relatif 11% adalah umum untuk FeII I spesies, seperti yang diharapkan dalam Fe non-stoikiometrik1−x O. Dari FeII/FeII I rasio, jumlah kekosongan diperkirakan sebagai ~ 0,057 ± 0,008, ditutup dengan 0,050 dengan karakterisasi XRD. Terakhir, doublet terletak di QS ~ 1.68 mm s −1 dan IS ~ 0 mm s −1 , sesuai dengan -Fe, memberikan kontribusi sebesar ~ 6%.

Dicetak ulang dengan Izin dari [42]. Hak Cipta, Elsevier Masson SAS

Perbandingan 57 Spektrum Fe Mössbauer pada 300 K dari Fe murni1−x O materi (a ), setelah penyerapan 1 Li (b ) dan akhir pelepasan pada 2,16 Li (c ). Kontribusi hijau dikaitkan dengan FeII. Garis hijau yang lebih tebal adalah jumlah dari garis yang lebih tipis yang sesuai dengan Fe yang tidak bereaksi1−x O. Garis putus-putus biru sesuai dengan peningkatan kontribusi -Fe yang diharapkan dari (a ) ke (c ). Dalam kasus (c ), sextet magnetik telah sedikit bergeser sebagai panduan mata. Spektrum (d ) sesuai dengan akhir muatan pertama pada 0,94 Li tanpa kontribusi -Fe, tetapi singlet biru metalik -Fe 0 masih ada.

Bandingkan dengan Fe2 O3 dan Fe3 O4 , kapasitas spesifik Fe1−x O paling rendah. Selain itu, metode sintesisnya lebih rumit. Dalam kebanyakan kasus, reaksi reduksi pada suhu tinggi tidak dapat dihindari [3,4,5,6, 9, 11]. Akibatnya, Fe1−x O bukan anoda LIB yang ideal dibandingkan dengan Fe2 O3 atau Fe3 O4 .

Fe2 O3 Struktur Nano Berbasis

Diantara oksida besi tersebut, khususnya Fe2 O3 , menarik perhatian banyak peneliti karena kapasitas teoritis yang tinggi, yang dapat mencapai 1000 mA h g −1 [44]. Selain itu, Fe2 O3 memiliki keunggulan tersendiri, seperti ketahanan yang tinggi terhadap korosi, biaya produksi rendah, ramah lingkungan, tidak mudah terbakar, tidak beracun dan ketersediaan alam yang tinggi [45]. Karena sifat-sifat yang sangat baik ini, Fe2 O3 sangat menjanjikan untuk aplikasi di LIBs anoda [46,47,48,49,50]. Berikut adalah gambaran singkat perkembangan terkini tentang sintesis, karakterisasi dan kinerja elektrokimia Fe2 O3 struktur nano berbasis disediakan.

Sintesis dan Karakterisasi

Dalam dekade terakhir, ada upaya besar untuk mengeksplorasi metode sintetis Fe2 O3 berbasis nanostruktur. Pada bagian ini, kami menguraikan dan meringkas metode sintetik Fe2 O3 struktur nano berbasis, termasuk deposisi fase gas [51], metode berbasis solusi [52], metode elektrokimia [53], perlakuan termal [54] dan metode lainnya [55, 56]. Juga, kami membandingkan metode sintesis yang berbeda.

Selain itu, 57 Karakterisasi spektroskopi Fe Mössbauer dari Fe2 O3 struktur nano dijelaskan secara rinci. Karena hanya inti tertentu yang memiliki penyerapan resonansi, 57 Spektroskopi Fe Mössbauer tidak diinterferensi oleh elemen lain. Rentang 57 Spektroskopi Fe Mössbauer dipengaruhi oleh lingkungan ekstranuklear umumnya dalam beberapa nanometer, sehingga sangat cocok untuk mengkarakterisasi struktur nano.

Deposisi Fasa Gas

Deposisi fase gas diterapkan secara luas dalam sintesis banyak film tipis dan struktur nano lainnya, seperti Fe2 O3 dan struktur nano berbasis oksida besi lainnya. Deposisi uap kimia (CVD), deposisi lapisan atom (ALD), deposisi uap fisik (PVD), deposisi elektrolitik dan sputtering reaktif adalah metode khas deposisi fase gas [57,58,59,60].

ALD adalah cara unik untuk mensintesis film tipis dengan kristalinitas tinggi, dan rute yang lebih murah daripada deposisi fase cair. Dalam proses ALD, reaksi kimia setiap lapisan secara langsung disertai dengan lapisan sebelumnya. Dengan cara ini, hanya satu lapisan yang diendapkan per siklus reaksi. Misalnya, Lin et al. [51] menggunakan ALD untuk menyimpan -Fe2 . ultra tipis berkualitas tinggi O3 film di TiSi2 nanonet. Film tipis nanoporous 3D yang diatur sendiri dibuat oleh Yang et al. [61] melalui CVD dan diintegrasikan ke dalam Fe yang heterogen2 O3 /Fe3 C-grafena. Sebagai anoda LIB, kapasitas laju dan kemampuan siklusnya dapat sangat ditingkatkan dengan pengendapan film tipis ini. Cesar dkk. [62] lapisan tipis Fe yang didoping silikon2 O3 struktur nano dendritik oleh tekanan atmosfer CVD (APCVD), yang menghasilkan Fe2 O3 photoanodes yang mengoksidasi air di bawah cahaya tampak dengan efisiensi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dendritik -Fe2 O3 struktur nano menunjukkan luas permukaan makroskopik 0,5 cm 2 [62]. Garis vertikal α-Fe2 O3 nanorods array ditanam pada substrat silikon melalui CVD logam-organik (MOCVD) oleh Wu et al. [63]. Terlebih lagi, Jia dkk. [64] menggunakan deposisi sputtering frekuensi radio untuk membuat -Fe2 O3 film ultra tipis.

Meskipun deposisi fase gas mampu menyiapkan Fe berkualitas tinggi2 O3 berbasis nanostruktur, ia juga memiliki kelemahan. Misalnya, APCVD dan MOCVD memiliki toksisitas dan sifat mudah terbakar yang tinggi dalam proses prekursor.

Metode Sintetis Berbasis Solusi

Metode sintetik berbasis solusi umum dan mudah untuk membuat Fe2 O3 dan oksida besi lainnya. Biaya2 O3 dengan berbagai morfologi, seperti nanoflowers [65], nanospheres [66], nanoparticles [67], nanorods [68], nanotubes [14], nanorings [69], nanobelts [70], nanoflakes [71], nanowires [72] , nanofibers [73], dan microbox [54], disintesis dengan metode berbasis solusi, misalnya, pendekatan hidrotermal, solvotermal dan sol-gel. Metode ini sangat mudah dan tersedia. Zhong dkk. [65] menggunakan metode solvotermal untuk membuat Fe2 O3 nanoflowers (Gbr. 4) melalui proses perakitan mandiri yang dimediasi etilen glikol. Vayssieres dkk. [52] melaporkan pertumbuhan Fe berpori2 O3 nanorods array pada fluorine doped tin oxide (FTO) melakukan kaca dengan proses hidrotermal. Dengan pertumbuhan hidrotermal -Fe2 O3 prekursor pada SnO2 batang nanowire, simetri enam kali lipat baru bercabang -Fe2 O3 /SnO2 heterostruktur (Gbr. 5) disintesis [74]. Ada teknik lain yang lebih mudah dan ekonomis, metode sol-gel, untuk mensintesis Fe2 O3 struktur nano. Woo dkk. [68] menggunakan metode sol-gel untuk mendapatkan -Fe2 O3 nanorods dengan reaksi Fe di mana-mana 3+ dalam misel terbalik. Nanorod yang diperoleh dengan mekanisme ini memiliki dimensi rendah dan luas permukaan tinggi, yang dapat diperluas ke magnetit dan wustit.

Dicetak ulang dengan Izin dari [65]. Hak Cipta, Wiley-VCH

a SEM dan b Gambar TEM dari -Fe2 . yang diperoleh seperti yang diperoleh O3 . c Gambar TEM pembesaran tinggi dari kelopak struktur seperti bunga dari -Fe2 yang diperoleh seperti yang diperoleh O3 . d Pola SAED yang diperoleh -Fe2 O3 .

Dicetak ulang dengan Izin dari [74]. Hak Cipta, Wiley-VCH

af Gambar SEM produk (setelah anil) pada berbagai tahap reaksi dengan mengatur waktu reaksi. Sisipan adalah gambar SEM yang diperbesar yang sesuai. Batang skala pada gambar dan sisipan masing-masing berukuran 2 m dan 500 nm. g Skema proses pembentukan -Fe2 . yang tersusun secara hierarkis O3 /SnO2 nanokomposit.

Metode Elektrokimia

Metode elektrokimia digunakan untuk mensintesis Fe2 O3 struktur nano, misalnya, deposisi elektrokimia diterapkan dalam pembuatan Fe2 O3 nanopartikel [53]. Melalui anodisasi foil besi dalam larutan elektrolit etilen glikol yang mengandung air deionisasi (DI) dan NH4 F pada tegangan 30–60 V, -Fe2 O3 array nanotube diperoleh [75]. Selain itu, anodisasi elektrokimia digunakan untuk mensintesis Fe2 O3 susunan nanotube [76]. Mao dkk. [77] melaporkan sintesis Fe2 O3 array menggunakan deposisi elektrokimia. Dalam penelitian mereka, besi diendapkan ke saluran template AAO dengan deposisi elektrokimia, kemudian template AAO dihilangkan dengan larutan NaOH, dan akhirnya susunan nanorod besi diubah menjadi Fe2 O3 Himpunan. Ciri penelitian ini adalah, dengan mengubah lama pengendapan, panjang Fe2 O3 nanorods dapat dikontrol dengan baik.

Perawatan Termal

Perlakuan termal untuk mensintesis Fe2 O3 melibatkan dua pendekatan yang signifikan, oksidasi termal dan pirolisis termal. Misalnya, Zhang et al. [54] menyiapkan Fe2 O3 microboxes (Gbr. 6) melalui dekomposisi oksidatif yang diinduksi termal dari mikrokubus biru prusia (PB) pada 350-650 °C. Pendekatan solid-state akan memberikan cara yang lebih mudah untuk sintesis skala besar struktur berongga anisotropik seragam dibandingkan dengan metode berbasis solusi yang banyak digunakan. Biaya2 O3 dengan morfologi yang berbeda disiapkan melalui perintah parameter oksidasi termal. -Fe2 O3 struktur nano dengan perlakuan termal yang mudah dari prekursor berbasis besi diusulkan. Misalnya, Rao dan Zheng [71] menggunakan perlakuan panas untuk menyiapkan -Fe2 yang tersusun rapat. O3 susunan nanoflakes.

Dicetak ulang dengan Izin dari [54]. Hak Cipta, American Chemical Society

a , b FESEM dan c Gambar TEM dari Fe berongga2 O3 microbox yang diperoleh pada 350 °C. d Ilustrasi skema pembentukan berongga Fe2 O3 kotak mikro dan evolusi struktur cangkang dengan meningkatnya suhu kalsinasi.

Pirolisis termal adalah metode umum lainnya untuk menyimpan Fe2 O3 film tipis. Duret dkk. [78] menerapkan metode ini untuk mendapatkan mesoscopic -Fe2 O3 film selebaran melalui pirolisis semprot ultrasonik, sedangkan film yang dibuat memiliki fotoaktivitas yang lebih tinggi daripada yang dibuat dengan teknik pirolisis semprot konvensional. Juga, sintesis -Fe2 O3 nanoflakes, nanoflowers, nanowires dan nanorods array melalui deposisi fase uap, deposisi fase cair dan perlakuan termal dilaporkan [63, 71, 72, 79].

Metode Lain

Pada tahun 2016, Guivar et al. [55] maghemite pesanan lowongan kerja majemuk (γ-Fe2 O3 ) nanopartikel difungsikan dengan nanohidroksiapatit (nanoHAp), menggunakan rute kimia co-presipitasi yang khas. Hebatnya, -Fe2 O3 difungsikan dengan nanoHAp berlabel -Fe2 O3 @HAp terbentuk tanpa proses termal sebagai kalsinasi.

Ada banyak cara untuk mensintesis Fe2 O3 , tetapi kebanyakan dari mereka tidak ramah lingkungan. Pada tahun 2019, Bashir dkk. [56] mengembangkan metode ramah lingkungan untuk mendapatkan -Fe2 O3 nanopartikel, menggunakan ekstrak biji Persea Americana. Mereka menggunakan dua prekursor yang berbeda untuk menyiapkan dua sampel -Fe2 O3 , satu sampel (A) dibuat dari Fe(NO3 )3 ·9H2 O, dan sampel lain (B) menyiapkan FeCl3 ·9H2 O.

57 Spektrum Fe Mössbauer sampel A dan B yang direkam pada 300 K (suhu kamar (RT)) disajikan pada Gambar 7. 57 Spektroskopi Fe Mössbauer adalah teknik yang sangat berharga untuk mengeksplorasi perilaku magnetik lokal dan keadaan oksidasi atom besi dalam matriks tertentu [80]. Kedua sampel mengungkapkan pemesanan magnetik, dan hanya menampilkan satu sextet yang menunjukkan status yang dipesan secara magnetis. Tabel 2 menunjukkan 57 Fe mengekstrak parameter Mössbauer di RT, yang mencantumkan IS, ɛ Q and B hf . Both samples’ B hf above 51 T are related to α-Fe2 O3 [81]. Furthermore, the values of ɛ Q is also consistent with α-Fe2 O3 . Both quadrupole interactions indicate Fe as Fe 3+ since the observed IS of 0.3653 mm/s and 0.3754 mm/s for the samples A and B, respectively, are typical for Fe 3+ [82]. Therefore, the negative values of quadrupole splitting indicate the weak ferromagnetic property of the samples A and B, the characteristic of pure α-Fe2 O3 phase.

Reprinted with Permission from [56]. Copyright, American Chemical Society

57 Fe Mössbauer spectra recorded at room temperature for α-Fe2 O3 nanoparticles. a sample A (ferric nitrate as a precursor) and b sample B (ferric chloride as a precursor).

Electrochemical Performance

The charge/discharge cycling at the voltage window of 0.005–3.0 V (vs. Li + ) under a current density of 200 mA g −1 at RT is shown in Fig. 8a. During the initial discharge process, there is an obvious voltage platform of ~ 0.75 V, and it gradually moved to a voltage plateau of ~ 1.0 V, and remain stable in the second and fifth cycles. Meanwhile, an ambiguous plateau was observed at ~ 1.8 V in the charge process. The first discharge profile qualitatively resembles the results by Larcher et al. [83] and Morales et al. [84] on nanoparticle Fe2 O3 , and Wang et al. [14] on Fe2 O3 nanotubes. The cycling performance of three samples (hierarchical Fe2 O3 microboxes, Fe2 O3 microboxes and porous Fe2 O3 microboxes) is discribed in Fig. 8b. After 30 cycles, hierarchical Fe2 O3 microboxes exhibit the highest reversible capacity of 945 mA h g −1 , follow by 872 mA h g −1 for porous Fe2 O3 microboxes, and finally 802 mA h g −1 for Fe2 O3 microboxes. The results demonstrated that three samples display excellent cycling stability, and the morphology of nanostructured Fe2 O3 plays a significant role in determining the discharge characteristics.

ce Reprinted with Permission from [85]. Copyright, American Chemical Society

a Discharge − charge voltage profiles of porous Fe2 O3 microboxes obtained at 550 °C. b Cycling performance of Fe2 O3 microboxes (350 °C), porous Fe2 O3 microboxes (550 °C), and hierarchical Fe2 O3 microboxes (650 °C) and Coulombic efficiency of porous Fe2 O3 microboxes (550 °C) over the voltage range 0.01 − 3.0 V vs. Li/Li +  at the same current density of 200 mA g -1 . (a , b Reprinted with Permission from [54]. Copyright, American Chemical Society). Electrochemical measurements of the sample. c CVs between 5 mV and 3 V at a scan rate of 0.5 mV s −1 . d Charge–discharge voltage profiles. e Comparative cycling performance of (I) the as-prepared α-Fe2 O3 hollow spheres and (II) α-Fe2 O3 microparticles. All the galvanostatic tests are performed at a constant current rate of 200 mA g −1 between 0.05 and 3 V.

Cyclic voltammogram (CV) is used to characterize the cells with α-Fe2 O3 nanoflakes anode in the 0.005–3.0 V under a slow scan rate (at RT). Li metal is used as the counter and reference electrodes [20], consistent with previously reported results [85]. CV curves of α-Fe2 O3 hollow spheres between 5 mV and 3 V at a scan rate of 5 mV s −1 are presented in Fig. 8c. There are apparent redox current peaks, and demonstrate good reversibility of electrochemical reaction. As shown in Fig. 8d, a distinct voltage plateau can be discovered at ~ 0.75 V, consistent with CV curves. The charge–discharge voltage profiles reflect the lithium storage capacity of α-Fe2 O3 . The first cyclic discharge capacity and the charge capacity is 1219 mA h g −1 and 877 mA h g −1 respectively, which lead to a relatively low irreversible capacity loss of 28%. In the second cycle, the Coulombic efficiency increased quickly to 89%. Cycling performance of two samples are demonstrated in Fig. 8e. The sample (I) exhibits excellent cyclic capacity retention from the second cycle onward. After 100 cycles of charge/discharge, the reversible capacity is still as high as 710 mA h g −1 . Compared with α-Fe2 O3 microparticles, the unique hierarchical α-Fe2 O3 hollow spheres apparently have enhanced Li storage performance, and a more stable cycling capacity retention and a higher reversible capacity are realized. This superior performance can be attributed to the thin nanosheet subunits that provide rapid and efficient transport of Li + , as well as the unique hollow interior that allows the material to effectively buffer the stress generated during charge/discharge process.

Iron oxides are cheap, abundant and environmentally compatible, and Fe2 O3 has excellent electrochemical performance. Some of the above studies have shown that Fe2 O3 based nanostructures can be an alternative anode to replace the presently used graphite in LIBs. The nanostructured Fe2 O3 has great potential in LIBs anode [86,87,88,89,90,91,92,93,94,95]. Recently, several studies about Fe2 O3 anode in asymmetric supercapacitors are reported [96,97,98,99,100]. However, low surface area and poor electrical conductivity are still two critical issues limiting the specific capacitance and power density of Fe2 O3 . For solutions of these problems, CNTs and CNFs are regarded as conductive matrices to load Fe2 O3 nanoparticles for realizing improved performance [101]. Table 3 summarizes some typical Fe2 O3 based nanostructures with their synthesis and electrochemical performance.

Fe3 O4 Based Nanostructures

Magnetite (Fe3 O4 ) and Fe3 O4 based nanostructure composites with pseudocapacitance, high theoretical capacity, environmental friendliness and low cost, are extensively applied to electromagnetic wave absorption [106], LIBs [3, 12, 15], biotechnological devices [107, 108], and supercapacitor [4, 109]. Fe3 O4 nanoparticles is one of the high-performance anodes in electrochemical devices. Unfortunately, Fe3 O4 nanostructures still face some problems, such as a severe volume variation (~ 200%) during the insertion and extraction of Li + and relatively low electrical conductivity, posing negative influence on the cycling stability [19, 110, 111]. From research results, we found that the structure and morphology of Fe3 O4 have a high influence on the electrochemical performance of Fe3 O4 and Fe3 O4 based composites.

Synthesis and Characterization

Recently, nanostructure engineering is demonstrated as a highly-effective approach to obtain improved electrochemical performance of Fe3 O4 and Fe3 O4 based composites. Therefore, various nanostructures including 0D nanoparticles [112], 1D nanorods/wires [113, 114], 2D nanoflakes/sheets [115, 116], 3D hierarchical/porous architectures [117, 118], and hybrid nanostructures of iron oxides [16] are proposed. The electrochemical performance of Fe3 O4 nanostructures can be optimized by rational design of their morphology, composition, porosity and surface characteristics.

Solution phase synthetic method is a facile and rapid way to obtain Fe3 O4 based nanostructures, because of the associative advantages, such as low synthesis temperature (always below 250 °C), easy control of morphology via adjusting hydrothermal conditions (e.g., PH, density of reactant and dosage of active agent, etc.). Solution phase synthetic method includes solvothermal synthesis [119], thermolysis [120], co-precipitation [121], sol–gel process [122, 123], micro-emulsion [124], etc. Simultaneously we compare the pros and cons of these methods.

Solvothermal Synthesis

Solvothermal synthesis, which reacts in a special closed reaction vessel, is one commonly used methods for synthesizing Fe3 O4 . In a hermetic environment, it is a facile method using aqueous solution as reaction medium at high temperature and high-pressure hermetic environment. Fe3 O4 nanostructures with various morphologies (0D, 1D, 2D and 3D) were synthesized applying this approach.

An et al. [119] obtained the Fe3 O4 /graphene nanowires by solvothermal synthesis and calcination with FeCl3 , NH4 VO3 and graphene as precursors. Phase transition of Fe3 O4 /VOx (FVO) after annealing was confirmed by XRD. For the XRD pattern of sample without annealing, all diffraction peaks of FVO and graphene decorated FVO correspond to FeVO4 ·1.1H2 O. For the XRD pattern of sample after annealing, there are no peaks of any vanadium oxides. And the inductive coupled high frequency plasma (ICP) result indicated that the molarity ratio of Fe and V is ~ 0.94:1, confirming the existence of amorphous vanadium oxide.

Mu et al. [125] reported dispersed Fe3 O4 nanosheets on carbon nanofiber by combing the electrospinning and solvothermal process. In this work, Fe3 O4 nanosheets are uniformly attached on the surface of carbon nanofiber with the diameter of about 500 nm.

Fe3 O4 nanoparticle with high specific surface area via FeCl3 and organic solvent ethanolamine (ETA) as precursors is reported by Wang et al. [126]. In this preparation, ETA is critical factor for compounding Fe3 O4 nanoparticles with high specific surface area, and Fe 3+ is gradually reduced to Fe 2+ by ETA during dissolution process, demonstrating that Fe 2+ increased as the increase of ultrasonication time. The ratio of ETA and FeCl3 has a large impact on the nanoscale grain size and specific surface area of Fe3 O4 . And the results showed that the grain size of 20–40 nm is achieved with 60 mL ETA and 6 mmol FeCl3 . When the amount of ETA is 80 mL, smaller nanoparticles (5–10 nm) are obtained.

Another representative work is reported by Chen et al. [127], in which graphene nanosheets decorated with Fe3 O4 nanoparticles (USIO/G) were synthesized using a facile solvothermal process. For the synthesis of USIO composite decorated with reduced graphene oxide (RGO), is used FeCl3 ·H2 O as precursor, then NaHCO3 and L-ascorbic acid were added to form USIO/G. In this process, L-ascorbic acid was oxidized to dehydroascorbic acid (DHAA) by some of Fe 3+ , which were reduced to Fe 2+ . Formation process of USIO/G is schematically shown in Fig. 9. The Fe3 O4 nanoparticles with uniform distribution, which are beneficial for electrical conductivity of graphene, mitigation of volume expansion of Fe3 O4 , and facilitating Fe3 O4 particles into the electrolyte.

Reprinted with Permission from [127]. Copyright, Royal Society of Chemistry

Schematic illustration of the formation process of USIO/G.

Xiong et al. [128] a kind of hierarchical hollow Fe3 O4 (H-Fe3 O4 ) microspheres prepared by controlled thermal decomposition of iron alkoxide precursor. In a classical reaction, ethylene glycol (EG) serves as reduction reagent that partly reduces Fe 3+ to Fe 2+ with sodium acetate (NaAc), and polyvinylpyrrolidone (PVP) [128]. For this synthesis, PVP served as a surface stabilizer, which has important role in the formation and transformation of hollow interiors.

With the development of solvothermal synthesis, it emerging as an efficient method with the advantages of low energy consumption, little reunion and easy to control shape, etc. Chen et al. [129] synthesized poly (acrylic acid) (PAA)-entangled Fe3 O4 nanospheres by a facile solvothermal method. In their synthesis, the ethylenediamine is crucial to the controlling of the uniformity of nanospheres, and the PAA molecules served as carbon source that transforms into the carbon matrix by heating treatment in inert atmosphere. As shown in SEM image of the prepared C-Fe3 O4 nanospheres, very uniform spherical particles with a diameter of 150–200 nm are synthesized. Observed from SEM images in Fig. 10a, the nanospheres contain small irregular particles, and have a relatively rough surface. In the control experiment without ethylenediamine (EDA), the synthesized particles are much less uniform with a wider size distribution of 100–500 nm, allowing the formation of nanospheres with smaller size.

Reprinted with Permission from [130]. Copyright, Wiley–VCH

a SEM images of the Fe3 O4 nanospheres synthesized with ethylenediamine (EDA). The inset of (a ) shows a SEM image with higher magnification. (Reprinted with Permission from [129]. Copyright, American Chemical Society.). Physicochemical characterization of the octahedral Fe3 O4 nanoparticles. b SEM image showing the octahedral geometry of the iron oxide nanoparticles.

Co-precipitation

Due to its high cost-effectiveness, environmental friendliness, and facile synthesizing protocol, co-precipitation is a general approach for Fe3 O4 nanoparticles. Thus, in iron based rechargeable battery systems, Fe3 O4 nanomaterials are especially suitable for large-scale electrochemical applications to solve the energy requirement of the modern society.

Li dkk. [121] proposed Fe3 O4 polyhedron as LIBs anode for alkaline secondary batteries by a co-precipitation. Annealing temperature makes a high effect on the physical and electrochemical performance of Fe3 O4 nanomaterials. The 700 °C-annealed Fe3 O4 exhibited a higher electrochemical performance, such as a higher specific discharge capacity of 604.2 mA h g −1 with a charging efficiency of 83.9% at 120 mA g −1 . Ooi et al. [130] demonstrated octahedral Fe3 O4 nanoparticles using a facile solvothermal route. Scanning electron microscope (SEM) image of Fe3 O4 nanoparticles is shown in Fig. 10b, which depicts that octahedral Fe3 O4 nanoparticles with an average length of 93 ± 18 nm were prepared by the hydrothermal method, showing a roughly Gaussian size distribution. Then, the crystal structure of octahedral nanoparticles can be further evaluated by HRTEM, and the composition of the bulk sample was further characterized by XRD and X-ray photo electron spectroscopy (XPS).

Thermolysis

The thermolysis is small monodisperse magnetic nanocrystals synthesized by organic metal compounds in high boiling point solvents containing stabilizing agent. Previous Organic metal bodies include metal acetylacetone compounds, metal cupferron, or metal Carbonyl compounds, and usually choose fatty acids, oleic acid, or hexadecyl amine as a surfactant. Zhang dkk. [120] reported ultrafine Fe3 O4 nanocrystals uniformly encapsulated in two-dimensional (2D) carbon nanonetworks through thermolysis of Fe(C5 H7 O2 )3 precursor at 350 °C under vacuum, which named as 2D Fe3 O4 /C nanonetworks. This facile process using low-cost precursor proposed a green approach for preparing Fe3 O4 /carbon composite. Additionally, compared with the reported Fe3 O4 /carbon composites, the particle size of Fe3 O4 is controllable and a size of ∼ 3 nm can be obtained.

Benefitting from synergistic effects of carbon nanonetworks with excellent electrical conductivity and ultrafine Fe3 O4 particles with uniform distribution, high reversible capacity, excellent rate capability and superior cyclability at the voltage of 0.01–3.0 V (vs. Li/Li + ) are obtained. Nanoparticles with unique iron oxide (Fe3 O4 ) cores and zinc oxide (ZnO) shells were prepared by Jaramillo et al. [131]. Fe3 O4 nanoparticle synthesized through a thermolysis method using Fe(C5 H7 O2 )3 as organic metal body presoma, triethylene glycol as surface active agent, and core–shell Fe3 O4 @ZnO nanoparticles were successfully synthesized using straightforward methodologies. The structural and optical properties of the materials were characterized using a combination of X-ray diffraction, electron microscopy, and light spectroscopy. Importantly, the purity of the core and shell phases in the Fe3 O4 @ZnO nanoparticles was confirmed by both XRD and TEM, and the ZnO shell was shown to increase the transparency of the core–shell nanoparticles relative to the single-component Fe3 O4 nanoparticles. Zhang dkk. [132] demonstrated a high crystalline Fe3 O4 -graphene composite by one-step reaction of thermolysis. And they demonstrated that the attachment of iron-organic complex with graphene oxide (GO) sheets can facilely result in magnetic graphene composites via a time-dependent calcination process.

Sol–Gel Process

The specific method is using the metal alkoxide, metal mineral compound or a mixture of the above two substances to hydrolysis and polymerization, uniform gel gradually, then condense into a transparent gel, however, after drying and heating, finally the oxide ultrafine powders was received. Tang et al. [122] prepared nanostructured magnetite thin film by sol–gel method using inexpensive iron (II) chloride precursor. Fe3 O4 nanoparticles were prepared at 300 °C, however, α-Fe2 O3 is generated when temperature increased to 350 °C, and this result restricts its applications. Xu et al. [123] proposed magnetite nanoparticles by virtue of sol–gel process combined with annealing in vacuum at 200–400 °C using nontoxic and low-cost ferric nitrate. In their study, Fe3 O4 nanoparticles with various sizes can be synthesized facilely through varying the annealing temperature.

Micro-emulsion Method

Micro-emulsion is composed of two mutual miscibility of liquid mixture of thermodynamic stability and isotropy dispersion, one of these or two kinds of liquid called micro area, and fixed by interface layer of the surfactant molecules. The key factors controlling the reaction solution contain concentration, pH value, reaction time and temperature. Micro-emulsion as a rapid expansion of new technology possesses many advantages. For example, high purity and uniform particle size distribution molecular dopant was synthesized at low temperature and simple reaction process. But there are also some shortcomings, for instance, the reaction system mostly contains organic solvents, which leads to high cost, pollution of environmental health and long reaction time. The prepared Fe3 O4 nanoparticles have excellent catalytic performance for the synthesis of quinoxaline in different solvents. Novel core–shell magnetic Fe3 O4 /silica nanocomposites with triblock-copolymer grafted on their surface (Fe3 O4 @SiO2 @MDN) were successfully synthesized by combining sol–gel process with seeded aqueous-phase radical copolymerization approach [133]. The Fe3 O4 @SiO2 @MDN microspheres were synthesized in following three steps. Firstly, the initial magnetic Fe3 O4 microspheres were synthesized by a solvothermal reaction. Then a sol–gel process was utilized to prepare silica coated Fe3 O4 microspheres (Fe3 O4 @SiO2 ), and a thin amorphous silica layer was formed on Fe3 O4 microspheres. Afterward, the Fe3 O4 @SiO2 microspheres were modified by 3-(methacryloxypropyl) trimethoxysilane (MPS). Finally, the triblock copolymer was fabricated by aqueous phase radical copolymerization reaction among MPS, divinylbenzene (DVB) and N-Vinyl-2-pyrrolidone (NVP) on the surface of Fe3 O4 @SiO2 . The magnetic Fe3 O4 particles with narrow size distribution have nearly spherical shape and smooth surface. Li dkk. [124] reported hexagonal and triangular monodisperse Fe3 O4 nanosheets by a two-step microemulsion solvothermal approach, in which the uniform Fe3 O4 nanoparticles are prepared and then these hydrophobic nanocrystals are dispersed in a uniform microemulsion environment as “seeds” for further re-growth through a secondary solvothermal process. In the first step, near-spherical monodisperse 7–8 nm Fe3 O4 nanoparticles were formed through a kinetically controlled process. In the second step, the formation of anisotropic Fe3 O4 nanosheets is a thermodynamically controlled process and all the exposed surfaces of the triangular and hexagonal nanosheets are (111) crystal planes, which have the lowest surface energy for FCC Fe3 O4 .

Other Methods

Physical methods are also significant ways to prepared Fe3 O4 nanostructure for anode of LIBs. Several advantages, such as good crystallization, fine-tuned particle size, and high purity of products are highlighted in recent literatures. But these methods usually demand advanced and expensive equipment, result in a higher cost, poor dispensability of particles dispersion, and agglomeration of nanostructures. For instance, Du et al. [109] fabricated activated carbon (AC)-Fe3 O4 nanoparticles asymmetric supercapacitor, and Fe3 O4 nanostructure was prepared by microwave method. The precursor, FeSO4 ·7H2 O and NH3 ·H2 O mixed solution, was heated in microwave oven. The black precipitate was separated by magnet and washed repeatedly with DI water. The resulted microstructural properties of prepared nanoparticle were characterized by nitrogen adsorption (Quantachrome NOVA 2000), XRD and SEM [109]. Chen dkk. [127] synthesized graphene nanosheets decorated with ultra-small Fe3 O4 nanoparticles (USIO/G). Seo et al. [134] reported an integrated usage of magnetic particles in microalgal downstream processes, specifically microalgal harvesting and lipid extraction through one-step aerosol spray pyrolysis and applied in microalgal harvesting and serial microalgal lipid entrapment. TEM/EDS, XPS, and FT-IR analysis suggested that the cationic and lipophilic functionalities arose from not fully decomposed PVP, due to the short residence time in the reactor. Kang et al. [135] proposed Fe3 O4 nanocrystals confined in mesocellular carbon foam (MSU-F–C) by a “host–guest” approach and applied it as LIBs anode. In this study, a precursor of Fe(NO3 )3 ·9H2 O is impregnated in MSU-F–C having uniform cellular pores with a diamter of ~ 30 nm, followed by heating treatment at 400 °C for 4 h in argon (Ar) atmosphere. Fe3 O4 nanocrystals with size of 13–27 nm were fabricated inside the pores of MSU-F–C. The existance of the carbon most likely allows the reduction of some Fe 3+ to Fe 2+ ions by a carbothermoreduction process. The physical performance and pore structure of MSU-F–C and Fe3 O4 -loaded composites were characterized with nitrogen sorption, and the composites have high capacities of ∼800–1000 mA h g −1 at 0.1 A g −1 (∼0.1 C rate), high rate capability and good cycling performance.

Application

Fe3 O4 possesses lots of unique properties, and is highly promising for applications in LIBs and supercapacitors [136,137,138,139,140,141,142]. Table 4 summarizes some applications.

Li-Ion Batteries

Due to conversion reaction of Fe3 O4 during charge/discharge process and other advantages, the Fe3 O4 is usually studied and applied as LIBs anode [143,144,145,146,147]. For TMOs, they have higher theoretical capacity (~ 500–1000 mA h g −1 ) than conventional graphite (about 372 mA h g −1 ). Furthermore, Fe3 O4 has superior conductivity compared with other transition metal oxides. Thus, it is well-focused by recent studies. It has been reported that composite electrodes with graphene have high performance due to their large surface area, high electrical conductivity and adaptive or flexible structure for high reliability. Qiu dkk. [3] reported a kind of composite anode composed of ultra-dispersed Fe3 O4 nanoparticles (3–8 nm) and RGO sheet. It has excellent cyclic performance (624 mA h g −1 for up to 50 charge/discharge cycles at a current density of 0.1 A g −1 ), and good specific capability (624 and 415 mAh g −1 at 0.1 and 2.4 A g −1 , respectively) for LIBs. The obtained Fe3 O4 /RGO exhibited high and ultrastable Photo-Fenton activity (Fig. 11).

Reprinted with Permission from [3]. Copyright, Elsevier B.V

The charge/discharge curve of Fe3 O4 /RGO composites (a ) and mechanically mixed Fe3 O4 /RGO composites (M-Fe3 O4 /RGO) (b ) electrodes at constant current densities of 0.1 A g −1 . Cycling performance of Fe3 O4 /RGO composites and M-Fe3 O4 /RGO composites electrode at constant current densities of 0.1 A g −1 (c ). Rate capability of Fe3 O4/ RGO composites and physically mixed Fe3 O4 /RGO composites at the current densities between 0.1 A g −1 and 2.4 A g −1 (d ). Nyquist plots of the electrodes of Fe3 O4 /RGO sheet and mechanically mixed Fe3 O4 /RGO composites. All of the measurements were conducted using a voltage window of 0.01–3.0 V (e ). Schematic representation of the electrochemical reaction path on the Fe3 O4 /RGO composites (f ).

Pyrolyzed carbon is also a good “companion” for Fe3 O4 anodes. Apart from the facile protocol, porous structure formed by pyrolysis always exhibits high specific capacity of Fe3 O4 composite anode. Wang dkk. [12] reported hollow N-doped Fe3 O4 /C nanocages with hierarchical porosities by carbonizing polydopamine-coated PB nanocrystals as LIBs anode (Fig. 12). The specific capacity of N-doped Fe3 O4 /C nanocages is ~ 878.7 mA h g −1 after 200 cycles at a current density of 200 mA g −1 , much higher than that of N-doped Fe3 O4 /C derived from pure PB (merely 547 mA h g −1 ). It is also desirable to design anisotropic structure of Fe3 O4 nanoparticles with carbon coated layer. Zhang dkk. [19] reported a kind of carbon-coated Fe3 O4 nanospindles derived from α-Fe2 O3 nanospindles with length of about 500 nm and an axis ratio of ~ 4. Following by a hydrothermal synthesis method with glucose, the obtained LIBs anode delivered a high reversible capacity of ~ 745 mA h g −1 at C/5 and ~ 600 mA h g −1 at C/2.

Reprinted with Permission from [12], Copyright, Elsevier Ltd

a CVs of the HPHNF during the first three cycles at 0.2 mV s −1 , b Galvanostatic charge/discharge profiles of the HPHNF electrodes for the 1st, 50th, 100th, 150th and 200th cycle at a specific current of 200 mA g −1 . c Cycling performance of the HPHNF nanocomposites, N-doped Fe3 O4 /C nanocomposites and graphite at a specific current of 200 mA g −1 . d Coulombic efficiency of HPHNF.

The most impressive work towards this field is probably the mesoporous iron oxide nanoparticle clusters with carbon coating reported by Lee et al. [148]. After a few cycles, the formation of SEI greatly enhanced the stability of interface between electrode and electrolyte. Electrochemical test exhibited a high specific capacity of 970 mA h g −1 for LIBs.

Supercapacitors

Fe3 O4 is a highly promising candidate for supercapacitor electrode because of its relatively high electrical conductivity, fast reversible redox reaction, low cost and eco-friendly nature [149,150,151,152]. Similar to batteries, high performance supercapacitors also require two factors:large specific surface area and long-term stability. Those two features usually were achieved by building some porous structures and carbon coated layers. Fe3 O4 nanoparticle with a high specific surface area was synthesized by Wang et al. [126] using a bottom up approach. Ferric chloride was firstly sonicated with ethanolamine and then processed through a solvothermal reaction. The obtained active nanomaterials showed a specific surface area of 165.05 m 2 g −1 and a specific capacitance of 207.7 F g −1 at 0.4 A g −1 .

Also, highly dispersed Fe3 O4 nanosheets on 1D CNFs is reported by Mu et al. [125]. The Fe3 O4 /CNFs composites showed a higher specific capacitance than pure Fe3 O4 in 1 M Na2 SO3 . To further enlarge the specific capacitance and cycle stability, hierarchically porous carbon spheres with Fe3 O4 using as supercapacitors exhibited high capacitivity of 1153 F g −1 at 2 A g −1 and high specific capacitance of 514 F g −1 at 100 A g −1 . In addition, the assembled asymmetric supercapacitor with double-shelled hollow carbon spheres and Fe3 O4 , has excellent cycling stability (96.7% retention after 8000 cycles) and high energy density (17–45 Wh kg −1 ) at a power density of 400–8000 W kg −1 [4].

Conclusion

Iron oxides (Fe1−x O, Fe2 O3 , Fe3 O4 ) based nanostructures have much higher specific capacities than those of commercial carbon based anodes. They are considered as highly promising candidates for LIBs anode. However, large irreversible capacity and low cycle stability are two serious problems that obstruct the application of iron oxides based nanostructures. In this review, we summarized the recent progress on novel iron oxides and their composites as LIBs anode and supercapacitor electrode. Several typical synthetic methods of various novel iron oxides based nanostructures are listed. By comparing the electrochemical performance of these various iron oxides based nanostructures, some strategies are expected to solve the problems of iron oxides based nanostructures.

Ketersediaan Data dan Materi

Tidak berlaku.


bahan nano

  1. Cervoz:memilih penyimpanan flash yang tepat untuk aplikasi industri
  2. Mengoptimalkan AI untuk aplikasi tersemat
  3. PPA untuk Aplikasi E-Mobilitas
  4. Tiga pertanyaan besar bagi siapa saja yang memasuki arena penyimpanan energi
  5. Nanopartikel untuk Terapi Kanker:Kemajuan dan Tantangan Saat Ini
  6. Pengiriman Obat Berbasis Sel untuk Aplikasi Kanker
  7. Kemajuan dalam Struktur Nano Berbasis Oksida Besi untuk Aplikasi dalam Penyimpanan Energi
  8. Estimasi Penyimpanan Energi Superkapasitor Berdasarkan Persamaan Diferensial Fraksi
  9. Evaluasi Struktur Grafena/WO3 dan Grafena/CeO x Sebagai Elektroda untuk Aplikasi Superkapasitor
  10. T&J:Sumur Minyak dan Gas untuk Penyimpanan Energi