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에너지 저장 분야의 응용을 위한 산화철 기반 나노구조의 진행 상황

초록

지구 환경과 에너지 문제로 인해 일상 생활에서 친환경적이고 효율적인 에너지 저장 장치에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다. 에너지 저장 장치의 중요한 종류인 리튬 이온 배터리(LIB)가 많은 주목을 받고 있습니다. 흑연은 LIB 양극으로 사용되지만 이론 용량이 낮아 고용량 LIB 양극 개발이 필요하다. 최근 몇 년 동안 LIB 양극으로 새로운 산화철 및 그 복합물의 응용 전략과 연구 진행 상황이 이 리뷰에 요약되어 있습니다. 여기에서는 기상 증착, 공침, 전기화학적 방법 등과 같은 다양한 철 산화물 기반 나노구조를 얻기 위한 몇 가지 일반적인 합성 방법을 열거합니다. 산화철 기반 나노구조, 특히 현장 X선 회절의 특성화를 위해 및 57 Fe Mössbauer 분광법이 자세히 설명되어 있습니다. 또한, 산화철 기반 나노구조 및 그 복합물의 전기화학적 응용에 대해 논의하고 요약합니다.

그래픽 요약

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소개

전 세계적인 에너지 및 환경 문제로 인해 태양 에너지, 연료 전지, 리튬 이온 배터리(LIB), 열전 모듈 등 고효율 그린 에너지에 대한 수요가 증가하고 있습니다. [1,2,3,4,5,6, 7,8,9,10,11]. 고성능, 저비용 에너지 저장 시스템의 연구 개발은 이러한 문제에 대한 중요한 솔루션입니다. 다양한 응용 분야의 에너지 저장 장치 중 LIB는 고효율 에너지 저장 시스템의 중요한 후보입니다[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]. 그러나 현재 상용 흑연 양극은 상대적으로 낮은 이론 용량(372 mA h g -1 )과 같은 한계가 있습니다. ), 일부 전기화학적 활성 물질이 LIB에 적용될 것으로 제안되었다[25,26,27,28,29]. 2000년 Poizot et al. [30]은 전이금속산화물(TMOs)은 흑연보다 2~3배 높은 이론적 용량 때문에 LIB에서 일종의 중요한 양극으로 간주된다고 보고했다. 따라서 TMO 및 관련 복합재료는 LIB의 양극으로 많은 관심을 받고 있다. 리튬 삽입/추출 과정에서 TMO는 다음과 같은 반응을 보인다[31].

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

여기서, M은 Ni, Cu, Fe, Co 등을 나타냅니다. 리튬 삽입 과정에서 이러한 산화물은 리튬에 의해 환원되며, 비정질 Li2 매트릭스에 분산된 금속 클러스터로 구성된 복합재 O가 형성된다[30, 31].

TMO 중 산화철 기반 양극은 풍부함, 저렴한 비용 및 무독성과 같은 장점을 가지고 있기 때문에 LIB에서 큰 잠재력을 가진 우수한 후보 중 하나입니다[32, 33]. 그러나 다른 TMO와 마찬가지로 LIB 양극 역할을 하는 산화철에는 두 가지 중요한 문제가 있습니다. 하나는 1차 방전과정에서 전해액의 분해와 고체전해질계면(SEI)층의 형성으로 인한 큰 비가역용량이다. 또한 Fe 및 Li2의 형성 O는 열역학적으로 실현 가능하고 리튬 이온 추출(Li + ) Li2에서 O는 열역학적으로 불안정합니다. [34] Li + Li2에서 추출할 수 없습니다. 1차 방전 과정에서 생성된 O. 이것은 또한 부분적 비가역적 용량을 초래한다. 또 다른 문제는 Li + 삽입/탈착 시 큰 부피 변화와 Fe의 심각한 응집으로 인한 낮은 사이클링 안정성입니다. , 전극이 분쇄되고 용량이 급격히 감소합니다[3]. 이러한 문제를 해결하기 위해 이러한 문제를 극복하는 데 많은 노력이 집중되고 있으며 몇 가지 매우 효과적인 접근 방식이 제안됩니다. 우리가 아는 한, 매우 효과적인 전략 중 하나는 산화철의 나노구조화입니다[3, 35]. 일부 독특한 나노구조의 경우 Li + 삽입/탈착으로 인한 변형률 및 부피 변화 Li + 도 크게 억제됩니다. 전극에서 쉽게 확산될 수 있어 양극의 전기화학적 성능이 크게 향상됩니다[11]. 또한, 탄소 섬유(CF), 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀, 열분해 탄소 등과 같은 탄소질 재료가 산화철과의 합성을 위해 도입된다[36,37,38]. 충전/방전에서 복합 전극의 부피 변화는 독특한 구조를 가진 탄소 재료에 의해 완충될 수 있으므로 산화철 나노구조의 전자 접촉 및 사이클링 안정성이 증가합니다.

이 리뷰에서 최근 개발된 전략과 산화철(Fe1−x 오, Fe2 O3 , Fe3 O4 ) LIB 및 슈퍼커패시터에 응용되는 나노구조 기반이 정교화되고 요약됩니다. 특히, 우리는 산화철 기반 나노구조의 합성 및 설계, 전기화학적 성능에 집중했습니다.

Wustite(Fe1−x 오)

우스타이트(Fe1−x O)는 0 <x인 비화학량론적 화합물입니다. <0.0464 [11]. 암석염 입방체 구조를 가지며 격자상수는 ~ 4.330 Å이다[11]. Fe1−x O, Fe2와 비교 O3 및 Fe3 O4 , Fe 및 Fe로 분해되는 경향이 있는 843.15K 미만의 상대적으로 낮은 비용량 및 준안정 상 때문에 에너지 저장 분야에 덜 적용됩니다.3 O4 . 그러나 Fe1−x LIB용으로 매우 유망한 양극인 O는 Fe2보다 전기 전도성이 높습니다. O3 및 Fe3 O4 .

합성 및 특성화

우리가 아는 한, 고성능 커버리지를 가진 TMO의 합성은 고성능 LIB 양극에 대한 큰 잠재력을 가지고 있습니다[7]. LIB에서 wustite 양극의 전기화학적 메카니즘은 다음 식[8]과 같이 설명된다.

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

FeO/C 합성물은 Gao et al.의 손쉬운 방법을 사용하여 합성되었습니다. [31]. 합성에서 α-Fe2 O3 30-120 nm 크기의 입자를 다른 비율의 아세틸렌 블랙(AB)과 혼합하고 볼 밀링으로 균일한 혼합물을 얻었다. 그런 다음 α-Fe2의 혼합물 O3 AB는 N2에서 10시간 동안 800°C에서 탄소열적으로 환원되었습니다. 균일한 FeO/C 합성물을 얻기 위한 분위기. FeO/C 복합재는 Fe2보다 훨씬 더 높은 사이클링 안정성을 가지고 있습니다. O3 /AB 혼합물. AB의 함량이 50wt.%일 때 FeO/C 복합재의 용량은 511 mA h g -1 , 396 mA h g −1 이상 Fe2의 O3 /AB. 게다가 50회 주기 후 용량 유지율은> 96%로 Fe2보다 70–80% 더 높습니다. O3 /AB. FeO/C 복합재의 우수한 전기화학적 성능은 탄소열 환원 후 FeO와 AB 입자의 강화된 연결로 인한 더 높은 전기 전도도에서 기인한다고 믿을 수 있습니다.

이후 2016년 Jung et al. [11] K를 Fe2로 열확산시켜 K-도핑된 FeO 나노입자를 기반으로 한 LIBs 양극으로 칼륨(K)-FeO/그래핀 복합체를 제조 O3 /그래핀은 폴리올 환원을 사용합니다. 능면체 Fe2 O3 결정은 K-도핑된 Fe2의 하소에 의해 (111) 결정 평면의 넓은 d-간격(5.2 Å)을 나타내는 FeO 결정(면심 입방체, FCC)으로 변형되었습니다. O3 /그래핀. 이전에 연구된 Fe2와 비교 O3 /graphene 복합재[11], K-FeO/graphene은 1776 mA h g -1 의 방전 용량을 나타냈습니다. 100mA g −1 의 전류 밀도에서 50회 사이클 동안 높은 사이클링 안정성 , 반면 Fe2 O3 /graphene은 1569 mA h g −1 의 방전 용량을 제공했습니다. . 18.56A g −1 의 높은 전류 밀도에서도 , K-FeO/그래핀의 용량은 851 mA h g -1 로 유지되었습니다. 800 사이클 후. 이 차이는 18.56A g −1 의 높은 전류 밀도에서 전극을 더 오래 사이클링한 후에 훨씬 더 큽니다. . Fig. 1과 같이 Fe2와 비교하여 O3 /graphene, K-FeO/graphene 양극은 독특한 결정 구조와 반응 메커니즘을 가지고 있습니다. K-FeO/graphene의 높은 방전 용량은 추가 Li + 저장에 의한 비 용량을 나타냅니다. Fe2로의 칼륨 확산을 통해 Wustite 격자 내의 공석과 넓은 d-간격으로 인해 기여해야 합니다. O3 격자.

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[11]의 허가를 받아 재인쇄됨. 저작권, Elsevier B.V

a의 SEM 이미지 Fe2 O3 /그래핀 및 b K-FeO/그래핀 및 (a , b )는 각각 확대된 이미지입니다. c의 반복되는 순환 전압전류도 , d Fe2 O3 /그래핀 전극 및 e , f K-FeO/그래핀 전극. 0.5mV s −1 의 잠재적 스윕 속도로 51번째 주기 동안 두 개의 전극을 계속 스캔했습니다. .

현장 X선 회절

In-situ X-ray diffraction(XRD)을 통해 시료의 반응과정에서 실시간 구조변화 정보와 비교 가능한 많은 정보를 단기간에 얻을 수 있습니다. 합성 과정에서 샘플의 구조적 변화를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 특정 전위까지 충/방전되는 다양한 온도에서 샘플의 해당 구조적 변화를 감지하는 데 사용할 수 있어 실제 반응 메커니즘을 모니터링하는 데 매우 유용합니다. 배터리의 양극/음극. 또한, 우리 그룹은 고온에서의 물리적 및 화학적 특성 조사에 필요한 Wustite의 격자 상수에 대한 정확한 지식을 연구했습니다. Fe1−x O는 특정 회절 피크를 측정하기 위한 평행 빔(그림 2a)이 있는 고온 X선 회절계(RINT2000-TTR, Rigaku Denki Co., Ltd.)로 합성되고 특성화되었으며, 구성과 격자 상수 사이의 관계 고온에서 Wustite도 조사됩니다. α-Fe(95 wt.%)와 Fe3를 이용한 우스타이트 합성과정 O4 (99 wt%) 분말은 초기 재료로 공석 반응입니다(그림 2b). 이 반응은 특정 Pco/Pco2에서 843.15에서 1673.15K 사이에서 진행될 수 있습니다. Wustite는 843.15K 미만에서 불안정하고 반응물은 19% Fe(wt.%) 및 81% Fe3이기 때문에 O4 (중량%). 그림 2c는 초기 반응물(자철광 및 철)의 XRD 패턴을 보여줍니다. 실험 조건은 표 1에 설명되어 있습니다. 헬륨(He) 가스 퍼지 후(25 ml min -1 ) XRD 시스템의 퍼니스에 60분 동안 반응물을 10°C min -1 의 일정한 속도로 가열했습니다. 샘플의 온도가 843.15K에 도달할 때까지, 이 역시 25ml min -1 의 유속으로 He 대기에 있었습니다. . 그런 다음 He 가스가 소진되고 CO/CO2 특정 비율(예:1:1 및 1:2)의 가스를 퍼징했습니다. Au 플레이크를 녹여서 고온 교정 후 샘플 홀더의 실제 온도를 얻을 수 있습니다. 843.15K에서 원하는 온도(1265.28 및 1365.28K)까지 가열 속도는 2°C min −1 이었습니다. Wustite 상의 확인을 위해 샘플을 측정하기 위해 XRD를 사용하였다. 샘플을 원하는 온도에서 보존하고 대부분이 Wustite 상일 때 Wustite의 결정면의 회절각을 240~420분 동안 측정한 다음 샘플의 온도를 50°C까지 올려 이 온도를 유지했습니다. 60분 동안 이러한 절차를 거친 후 시료의 온도는 이전의 원하는 온도로 감소하고 180-240분의 기간에 Wustite의 결정면의 회절각에 대한 XRD 측정을 다시 수행했습니다.

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현장 XRD의 개략도. Fe, Fe1−y 사이의 평형 오, Fe3 O4 , CO, CO2 , 그리고 탄소. 초기 반응물의 XRD 패턴. d Pco/Pco2에서 합성된 샘플의 XRD 패턴 =1:1. Pco/Pco2에서 합성된 샘플의 XRD 패턴 =1:2. 다른 온도 및 Pco/Pco2에서 합성된 wustite의 다른 NR 기능 겉보기 격자 상수 . Wustite의 격자상수 결과

격자 상수는 겉보기 격자 상수를 이 함수의 0, 즉 2 Theta =180°까지 선형 외삽하여 얻을 수 있습니다. wustite의 (111), (200), (220), (311) 및 (222) 결정면의 회절 피크는 그림 2d, e에 표시되고 샘플의 XRD 패턴은 Pco/Pco에서 얻습니다. 2 각각 1:1 및 1:2입니다. 다른 Pco/Pco2에서 겉보기 격자 상수와 Nelson-Riley 함수 사이의 관계 그림 2f와 같이 온도가 얻어집니다. 직선은 데이터에 맞는 사각형을 나타냅니다. 이러한 직선을 통해 겉보기 격자 상수는 Nelson-Riley 함수의 0으로 외삽되었습니다. 따라서 그림 2f와 같이 서로 다른 온도와 Pco/Pco2에서 얻은 실제 격자 상수의 결과 4.355Å(1265.28K, Pco/Pco2) =1:1), 4.346Å(1265.28K, Pco/Pco2 =1:2), 4.362Å(1365.28K, Pco/Pco2 =1:1) 및 4.354Å(1365.28K, Pco/Pco2 =1:2), 각각. x의 증가에 따라 격자상수는 Fig. 2g와 같이 증가한다. Fe1−x O, 온도가 높을수록 격자 상수가 커집니다. 고온에서 Wustite의 조성과 격자상수 사이의 관계는 다음 식과 같이 구할 수 있다. (3) 및 (4).

$${\text{a}}\,\left( { {\AA} } \right) =3.919 + 0.474\left( {1 - x} \right){ }\left( {1265.28\,{\text { K}}} \right)$$ (3) $${\text{a}}\,\left( { {\AA} } \right) =3.994 + 0.400\left( {1 - x} \right ){ }\left( {1365.28\,{\text{ K}}} \right)$$ (4)

57 Fe Mössbauer 분광기

57 Fe Mössbauer 분광법은 핵의 에너지 준위 구조와 핵이 위치한 화학적 환경을 포함한 핵의 특성을 포함합니다. 따라서 원자가, 화학 결합의 이온성, 배위수, 결정 구조, 전자 밀도 및 시료의 자기 특성을 연구하는 데 적절하게 적용될 수 있습니다. 57 Fe Mössbauer 분광법은 화학 및 재료 분야에서 널리 활용됩니다. 여기에서 57 을 자세히 설명합니다. 산화철 특성화를 위한 Fe Mössbauer 분광기. 57 Fe Mössbauer 분광법은 다양한 산화철 상을 구별 및 특성화하고 결정 격자에서 Fe 원자의 국부적 환경을 모니터링하는 데 사용됩니다[39, 40].

이성질체 이동(IS), 사중극자 분할(QS), 사중극자 이동(ɛ 질문 ) 및 초미세 자기장(B hf )는 Mössbauer 스펙트럼에서 스펙트럼 라인의 위치를 ​​분석하여 얻을 수 있습니다[41, 42]. 샘플의 특성은 스펙트럼 라인의 너비와 비대칭에서 유추할 수 있습니다. 극미세 매개변수의 온도 및 필드 의존성을 통해 귀중한 매개변수를 추론할 수도 있습니다.

Aldon et al. [42] Fe1-x의 리튬 유도 전환 반응 연구 O 57 사용 Fe Mössbauer 분광기. 극미세 매개변수(IS 및 QS)는 오히려 반강자성(TN =198K [43]) FeII 종의 특징입니다. Fe1−x O, 실온(RT)에서 전형적인 상자성 흡수를 나타냅니다. 57 에 표시된 대로 Fe Mössbauer 스펙트럼(그림 3a), IS ~ 1mm s −1 를 갖는 3개의 확장된 이중선이 있습니다. 및 ~ 0.50 ~ 1.50 mm s −1 범위의 QS , 그리고 그들의 상대 면적은 α-Fe 자기 기여에서 수정됩니다. 흡수 강도는 42, 26 및 15%입니다. IS ~ 0.55 mm s −1 에 중심을 둔 네 번째 이중선 , QS ~ 0.90mm s −1 FeII I 의 경우 상대 면적이 11%인 것이 일반적입니다. 비화학량론적 Fe1−x에서 예상한 대로 종 O. FeII/FeII I 에서 비율에서 공석의 양은 ~ ± 0.008로 추정되며 XRD 특성화에 의해 0.050에 가깝습니다. 마지막으로 QS ~ 1.68 mm s −1 에 위치한 이중선 및 IS ~ 0 mm s −1 , α-Fe에 해당하는 ~ 6%의 기여를 합니다.

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[42]의 허가를 받아 재인쇄됨. 저작권, Elsevier Masson SAS

57 비교 깨끗한 Fe1−x의 300K에서 Fe Mössbauer 스펙트럼 O 자료(a ), 1 Li 섭취 후(b ) 및 2.16 Li에서 방전 종료(c ). 녹색 기여는 FeII에 기인합니다. 두꺼운 녹색 선은 미반응 Fe1−x에 해당하는 얇은 선의 합입니다. O. 파란색 점선은 (a ) ~ (c ). (c의 경우 ), 마그네틱 육중주가 눈의 가이드로 약간 이동되었습니다. 스펙트럼(d ) α-Fe 기여 없이 0.94 Li에서 첫 번째 충전의 끝 부분에 해당하지만 파란색 단일항 나노크기 금속 ε-Fe 0 여전히 존재합니다.

Fe2와 비교 O3 및 Fe3 O4 , Fe1−x의 비용량 O가 가장 낮습니다. 게다가, 그것의 합성 방법은 더 복잡합니다. 대부분의 경우 고온에서의 환원반응은 불가피하다[3,4,5,6,9,11]. 결과적으로 Fe1−x O는 Fe2와 비교하여 이상적인 LIB 양극이 아닙니다. O3 또는 Fe3 O4 .

Fe2 O3 기반 나노구조

이러한 산화철 중에서 특히 Fe2 O3 , 1000 mA h g −1 에 도달할 수 있는 높은 이론적 용량으로 인해 많은 연구자들의 관심을 끌고 있습니다. [44]. 또한 Fe2 O3 높은 내식성, 낮은 생산 비용, 환경 친화성, 불연성, 무독성 및 높은 천연 가용성과 같은 독특한 장점이 있습니다[45]. 이러한 우수한 특성으로 인해 Fe2 O3 LIBs 양극의 응용 분야에 매우 유망합니다[46,47,48,49,50]. 여기에 Fe2의 합성, 특성화 및 전기화학적 성능에 대한 최근 개발에 대한 간략한 개요가 있습니다. O3 기반 나노구조가 제공됩니다.

합성 및 특성화

지난 10년 동안 Fe2 합성 방법을 탐구하기 위한 엄청난 노력이 있었습니다. O3 기반 나노 구조. 이 섹션에서는 Fe2 합성 방법을 정교화하고 요약했습니다. O3 기상 증착[51], 용액 기반 방법[52], 전기화학적 방법[53], 열처리[54] 및 기타 방법[55, 56]을 포함한 기반 나노구조. 또한 다양한 합성 방법을 비교했습니다.

또한 57 Fe2의 Fe Mössbauer 분광기 특성화 O3 나노 구조에 대해 자세히 설명합니다. 특정 핵에만 공명 흡수가 있으므로 57 Fe Mössbauer 분광법은 다른 요소의 간섭을 받지 않습니다. 57 범위 핵외 환경의 영향을 받는 Fe Mössbauer 분광기는 일반적으로 수 나노미터 이내이므로 나노구조 특성화에 매우 적합합니다.

기체 상 증착

기상 증착은 Fe2와 같은 많은 박막 및 기타 나노 구조의 합성에 널리 적용됩니다. O3 및 기타 산화철 기반 나노구조를 포함한다. 화학기상증착(CVD), 원자층증착(ALD), 물리기상증착(PVD), 전해증착 및 반응성 스퍼터링이 기상증착의 대표적인 방법이다[57,58,59,60].

ALD는 결정도가 높은 박막을 합성하는 독특한 방법이며 액상 증착보다 저렴한 방법입니다. ALD 공정에서 모든 층의 화학 반응은 이전 층과 직접 동반됩니다. 이러한 방식으로 반응 주기당 하나의 레이어만 증착됩니다. 예를 들어, Lin et al. [51] ALD를 사용하여 고품질 초박형 α-Fe2 증착 O3 TiSi2의 영화 나노넷. 3D 자체 조직화된 나노 다공성 박막은 Yang et al.에 의해 제작되었습니다. [61] CVD를 통해 이종 Fe2로 통합 O3 /Fe3 C-그래핀. LIBs 양극으로서, 이 박막의 증착에 의해 속도 용량과 사이클 가능성이 크게 향상될 수 있습니다. Cesar et al. [62] 실리콘 도핑된 Fe2의 증착된 박막 O3 Fe2를 생성하는 대기압 CVD(APCVD)에 의한 수지상 나노구조 O3 전례 없는 효율로 가시광선 아래에서 물을 산화시키는 광양극. 수지상 α-Fe2 O3 나노구조는 0.5cm 2 의 거시적 표면적을 나타냈습니다. [62]. 수직으로 정렬된 α-Fe2 O3 나노로드 어레이는 Wu et al. [63]. 게다가 Jia et al. [64] α-Fe2를 제작하기 위해 무선 주파수 스퍼터링 증착을 활용했습니다. O3 초박막 필름.

기상 증착은 고품질 Fe2를 준비할 수 있지만 O3 기반 나노 구조, 그것은 또한 단점이 있습니다. 예를 들어, APCVD와 MOCVD는 전구체 공정에서 높은 독성과 가연성을 가지고 있습니다.

솔루션 기반 합성 방법

솔루션 기반 합성 방법은 일반적이며 Fe2를 제작하기 쉽습니다. O3 및 기타 산화철. Fe2 O3 나노플라워[65], 나노스피어[66], 나노입자[67], 나노로드[68], 나노튜브[14], 나노링[69], 나노벨트[70], 나노플레이크[71], 나노와이어[72]와 같은 다양한 형태 , 나노섬유[73], 마이크로박스[54]는 용액 기반 방법, 예를 들어 열수, 용매열 및 졸-겔 접근법에 의해 합성되었습니다. 이러한 방법은 매우 쉽고 사용 가능합니다. Zhong et al. [65] Fe2를 제작하기 위해 solvothermal 방법을 사용했습니다. O3 에틸렌 글리콜 매개 자가 조립 과정을 통해 나노플라워(그림 4)를 생성합니다. Vayssières et al. [52] 다공성 Fe2의 성장 보고 O3 열수 공정에 의해 불소 도핑된 산화주석(FTO) 전도성 유리에 나노로드 어레이. α-Fe2의 열수 성장에 의해 O3 SnO2의 전구체 나노와이어 줄기, 새로운 6중 대칭 분지형 α-Fe2 O3 /SnO2 헤테로구조(그림 5)가 합성되었다[74]. Fe2 합성을 위한 또 다른 쉽고 경제적인 기술인 졸-겔 방법이 있습니다. O3 나노구조. Woo et al. [68] α-Fe2를 얻기 위해 졸-겔 방법을 사용했습니다. O3 유비쿼터스 Fe 3+ 의 반응에 의한 나노로드 역 미셀에서. 이 메커니즘으로 얻은 나노로드는 낮은 차원과 높은 표면적을 가지므로 마그네타이트와 우스타이트까지 확장될 수 있습니다.

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[65]의 허가를 받아 재인쇄됨. 저작권, Wiley-VCH

검색엔진 마케팅 및 b 얻은 α-Fe2의 TEM 이미지 O3 . 얻어진 α-Fe2의 꽃모양 구조 꽃잎의 고배율 TEM 이미지 O3 . d 얻어진 α-Fe2의 SAED 패턴 O3 .

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[74]의 허가를 받아 재인쇄됨. 저작권, Wiley-VCH

f 반응 시간을 설정하여 다양한 반응 단계에서 제품의 SEM 이미지(어닐링 후). 삽입은 해당 확대 SEM 이미지입니다. 그림과 삽입의 눈금 막대는 각각 2μm와 500nm입니다. 계층적으로 조립된 α-Fe2의 형성 과정의 개략도 O3 /SnO2 나노복합체.

전기화학적 방법

전기화학적 방법은 Fe2 합성에 사용됩니다. O3 나노구조, 예를 들어 전기화학 증착은 Fe2 제조에 적용됩니다. O3 나노입자[53]. 탈이온수(DI)와 NH4를 포함하는 에틸렌 글리콜 전해액에서 철박의 양극 산화를 통해 30–60V의 전압에서 F, α-Fe2 O3 나노튜브 어레이를 얻었다[75]. 또한 Fe2를 합성하기 위해 전기화학적 양극산화가 사용됩니다. O3 나노튜브 어레이[76]. Mao et al. [77] Fe2 합성 보고 O3 전기화학 증착을 이용한 어레이. 그들의 연구에서 철은 전기화학적 증착에 의해 AAO 템플릿 채널에 증착되었고, 그 다음 AAO 템플릿은 NaOH 용액으로 제거되었으며, 최종적으로 철 나노로드 어레이는 Fe2로 변환되었습니다. O3 정렬. 이 연구의 특징은 증착 기간을 변경하여 Fe2의 길이를 O3 나노로드를 미세하게 제어할 수 있습니다.

온열 치료

Fe2 합성을 위한 열처리 O3 열 산화 및 열 열분해의 두 가지 중요한 접근 방식이 포함됩니다. 예를 들어, Zhang et al. [54] 준비된 Fe2 O3 350–650 °C에서 프러시안 블루(PB) 마이크로큐브의 열 유도 산화 분해를 통한 마이크로박스(그림 6). 고체 상태 접근 방식은 널리 사용되는 솔루션 기반 방법과 비교하여 균일한 이방성 중공 구조의 대규모 합성을 위한 보다 손쉬운 방법을 제공합니다. Fe2 O3 다른 형태의 열 산화 매개변수를 통해 준비되었습니다. α-Fe2 O3 철 기반 전구체의 손쉬운 열처리에 의한 나노구조가 제안되었다. 예를 들어, Rao와 Zheng[71]은 조밀하게 정렬된 α-Fe2를 제조하기 위해 열처리를 활용했습니다. O3 나노플레이크 어레이.

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[54]의 허가를 받아 재인쇄됨. 저작권, 미국 화학 학회

, b FESEM 및 c 속이 빈 Fe2의 TEM 이미지 O3 350 °C에서 얻은 마이크로박스. d 속이 빈 Fe2 형성의 개략도 O3 소성 온도가 증가함에 따라 마이크로박스 및 쉘 구조의 진화.

열분해는 Fe2를 증착하는 또 다른 일반적인 방법입니다. O3 박막. Duret et al. [78] 이 방법을 적용하여 mesoscopic α-Fe2 O3 초음파 분무 열분해를 통해 전단지 필름을 제조하는 반면, 제조된 필름은 기존 분무 열분해 기술로 제조된 필름보다 광활성이 더 높습니다. 또한 α-Fe2 합성 O3 기상 증착, 액상 증착 및 열처리를 통한 나노플레이크, 나노플라워, 나노와이어 및 나노로드 어레이가 보고되었다[63, 71, 72, 79].

기타 방법

2016년, Guivar et al. [55] 복합 공석 정렬 마그헤마이트(γ-Fe2 O3 ) 전형적인 공침 화학 경로를 사용하여 나노하이드록시아파타이트(nanoHAp)로 기능화된 나노입자. 놀랍게도, γ-Fe2 O3 γ-Fe2로 표시된 nanoHAp로 기능화 O3 @HAp는 하소와 같은 열처리 과정 없이 형성됩니다.

Fe2를 합성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. O3 , 그러나 그들 대부분은 환경 친화적이지 않습니다. 2019년에 Bashir et al. [56] α-Fe2를 얻기 위한 친환경적인 방법 개발 O3 Persea Americana 종자 추출물을 사용한 나노 입자. 그들은 두 개의 다른 전구체를 사용하여 두 개의 α-Fe2 샘플을 준비했습니다. O3 , Fe(NO3에서 준비된 하나의 샘플(A) )3 ·9H2 O, 그리고 다른 샘플(B) 준비된 FeCl3 ·9H2 오.

57 300K(실온(RT))에서 기록된 샘플 A와 B의 Fe Mössbauer 스펙트럼이 그림 7에 나와 있습니다. 57 Fe Mössbauer 분광법은 특정 매트릭스에 있는 철 원자의 국부적 자기 거동과 산화 상태를 조사하는 데 매우 유용한 기술입니다[80]. Both samples revealed magnetic ordering, and displayed only single sextet indicating magnetically ordered state. Table 2 shows 57 Fe extracted Mössbauer parameters at RT, which lists 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. 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

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

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 et al. [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 et al. [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 et al. [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 et al. [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 et al. [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 et al. [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 et al. [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 et al. [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

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.

데이터 및 자료의 가용성

Not applicable.


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