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Progrès des nanostructures à base d'oxydes de fer pour les applications de stockage d'énergie

Résumé

La demande de dispositifs de stockage d'énergie verts et efficaces dans la vie quotidienne est en constante augmentation, ce qui est causé par l'environnement mondial et les problèmes énergétiques. Les batteries lithium-ion (LIB), un type important de dispositifs de stockage d'énergie, attirent beaucoup d'attention. Le graphite est utilisé comme anode LIBs, cependant, sa capacité théorique est faible, il est donc nécessaire de développer des anodes LIBs avec une capacité plus élevée. Les stratégies d'application et les progrès de la recherche de nouveaux oxydes de fer et de leurs composites en tant qu'anode LIB au cours des dernières années sont résumés dans cette revue. Nous énumérons ici plusieurs méthodes de synthèse typiques pour obtenir une variété de nanostructures à base d'oxydes de fer, telles que le dépôt en phase gazeuse, la co-précipitation, la méthode électrochimique, etc. Pour la caractérisation des nanostructures à base d'oxydes de fer, en particulier la diffraction des rayons X in situ et 57 La spectroscopie Fe Mössbauer est élaborée. En outre, les applications électrochimiques des nanostructures à base d'oxydes de fer et de leurs composites sont discutées et résumées.

Graphique abstrait

Introduction

Les problèmes mondiaux d'énergie et d'environnement conduisent à une demande croissante d'énergie verte hautement efficace, par exemple, l'énergie solaire, les piles à combustible, les batteries lithium-ion (LIB) et le module thermoélectrique, etc. [1,2,3,4,5,6, 7,8,9,10,11]. La recherche et le développement d'un système de stockage d'énergie à haute performance et à faible coût est une solution importante à ces problèmes. Parmi les dispositifs de stockage d'énergie avec de nombreuses applications, les LIB sont des candidats importants pour un système de stockage d'énergie hautement efficace [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]. Cependant, l'anode en graphite commerciale actuelle présente des limites, par exemple une capacité théorique relativement faible (372 mA h g −1 ), et certains matériaux électrochimiquement actifs sont proposés pour être appliqués dans les LIB [25,26,27,28,29]. En 2000, Poizot et al. [30] ont rapporté que les oxydes de métaux de transition (TMO) sont considérés comme une sorte d'anodes importantes dans les LIB en raison de leurs capacités théoriques élevées 2 à 3 fois supérieures à celles du graphite. Par conséquent, les TMO et les composites associés attirent beaucoup d'attention en tant qu'anode LIB. Au cours du processus d'insertion/extraction du lithium, les TMO ont la réaction suivante [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)

où, M représente Ni, Cu, Fe, Co, etc. Au cours du processus d'insertion du lithium, ces oxydes sont réduits par le lithium, et le composite constitué d'amas métalliques dispersés dans une matrice de Li2 amorphe O est formé [30, 31].

Parmi les TMO, les anodes à base d'oxydes de fer sont un type d'excellents candidats avec un grand potentiel dans les LIB car elles possèdent de tels avantages, par exemple, l'abondance, le faible coût et la non-toxicité [32, 33]. Cependant, tout comme les autres TMO, les oxydes de fer servant d'anode aux LIB présentent deux problèmes critiques. L'un est la grande capacité irréversible, causée par la décomposition de l'électrolyte et la formation d'une couche d'interface d'électrolyte solide (SEI) lors du premier processus de décharge. De plus, la formation de Fe et Li2 O est thermodynamiquement faisable, et l'extraction de l'ion lithium (Li + ) de Li2 O est thermodynamiquement instable [34], puisqu'une partie de Li + ne peut pas être extrait de Li2 O formé dans le 1er processus de décharge. Il en résulte également une capacité irréversible partielle. Un autre problème est leur faible stabilité au cyclage résultant principalement d'une grande variation de volume et d'une agrégation sévère de Fe dans l'insertion/désinsertion de Li + , conduisant à la pulvérisation des électrodes et à une décroissance rapide de la capacité [3]. Pour résoudre ces problèmes, beaucoup d'efforts se concentrent sur la résolution de ces problèmes et des approches très efficaces sont proposées. À notre connaissance, une stratégie très efficace est la nanostructuration des oxydes de fer [3, 35]. Pour certaines nanostructures uniques, la déformation et la variation de volume résultent de l'insertion/désinsertion de Li + sera inhibé dans une large mesure, également le Li + peuvent être diffusés facilement dans les électrodes, conduisant à des performances électrochimiques significativement améliorées de l'anode [11]. De plus, des matériaux carbonés, par exemple des fibres de carbone (CF), des nanotubes de carbone (CNT), du graphène et du carbone pyrolysé, etc. sont introduits pour la composition avec des oxydes de fer [36,37,38]. La variation de volume des électrodes composites en charge/décharge peut être tamponnée par ces matériaux carbonés aux structures uniques, d'où l'augmentation du contact électronique et de la stabilité en cyclage des nanostructures d'oxydes de fer.

Dans cette revue, les stratégies récemment développées et les mises à jour importantes de la recherche sur les oxydes de fer (Fe1−x O, Fe2 O3 , Fe3 O4 ) à base de nanostructures avec des applications dans les LIBs et les supercondensateurs sont élaborés et résumés. Plus précisément, nous nous sommes concentrés sur la synthèse et la conception de la nanostructure à base d'oxydes de fer, ainsi que sur leurs performances électrochimiques.

Wustite (Fe1−x O)

Wustite (Fe1−x O) est un composé non stoechiométrique avec 0 < x < 0,0464 [11]. Il a la structure cubique du sel gemme et sa constante de réseau est ~ 4.330 Å [11]. Fe1−x O, comparé à Fe2 O3 et Fe3 O4 , a moins d'applications dans le stockage d'énergie depuis sa capacité spécifique relativement faible et sa phase métastable en dessous de 843,15 K qui a tendance à se décomposer en Fe et Fe3 O4 . Cependant, Fe1−x O, une anode très prometteuse pour les LIBs, a une conductivité électrique plus élevée que celles de Fe2 O3 et Fe3 O4 .

Synthèse et caractérisation

Pour autant que nous le sachions, la composition de TMO avec une couverture haute performance a un grand potentiel pour l'anode LIB haute performance [7]. Dans les LIB, le mécanisme électrochimique de l'anode en wustite est décrit par l'équation suivante [8].

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

Les composites FeO/C ont été synthétisés en utilisant une méthode facile par Gao et al. [31]. Dans leur synthèse, α-Fe2 O3 des particules d'une taille de 30 à 120 nm ont été mélangées avec du noir d'acétylène (AB) de différents pourcentages, et un mélange uniforme a été obtenu par broyage à billes. Ensuite, le mélange de α-Fe2 O3 et AB a été réduit thermiquement à 800 °C pendant 10 h dans N2 atmosphère pour obtenir des composites FeO/C uniformes. Le composite FeO/C possède une stabilité au cyclage bien supérieure à celle du Fe2 O3 /AB mélange. Lorsque la teneur en AB est de 50 % en poids, la capacité du composite FeO/C est de 511 mAH g −1 , supérieur à 396 mA h g −1 de Fe2 O3 /UN B. De plus, la rétention de capacité après 50 cycles est > 96%, évidemment 70-80% plus élevée que celle de Fe2 O3 /UN B. Il est probable que les performances électrochimiques supérieures du composite FeO/C soient dues à sa conductivité électrique plus élevée, résultant de la connexion renforcée des particules FeO et AB après réduction thermique au carbone.

Par la suite, en 2016, Jung et al. [11] ont préparé un composite potassium (K)-FeO/graphène en tant qu'anode LIBs à base de nanoparticules FeO dopées K par diffusion thermique de K dans Fe2 O3 /graphène en utilisant la réduction de polyol. Rhomboédrique Fe2 O3 les cristaux ont été transformés en cristaux de FeO (cubique face centrée, FCC), montrant un large espacement d (5,2 ) de (111) plans cristallins, par calcination de Fe2 dopé K O3 /graphène. Comparaison avec Fe2 précédemment étudié O3 /graphène composite [11], le K-FeO/graphène a montré une capacité de décharge de 1776 mA h g −1 avec une stabilité de cycle élevée pendant 50 cycles à une densité de courant de 100 mA g −1 , tandis que Fe2 O3 /graphène a fourni une capacité de décharge de 1569 mA h g −1 . Même à une densité de courant élevée de 18,56 A g −1 , la capacité de K-FeO/graphène est restée à 851 mA h g −1 après 800 cycles. Cette différence est beaucoup plus importante après un cycle plus long des électrodes à une densité de courant élevée de 18,56 A g −1 . Comme le montre la figure 1, par rapport au Fe2 O3 /graphène, l'anode K-FeO/graphène a une structure cristalline et un mécanisme de réaction uniques. La capacité de décharge élevée du K-FeO/graphène indique cette capacité spécifique par stockage de Li + supplémentaire devrait être contribué par les lacunes et le large espacement d dans les réseaux de wustite par diffusion de potassium dans Fe2 O3 treillis.

Réimprimé avec la permission de [11]. Copyright, Elsevier B.V.

Images SEM de a Fe2 O3 /graphène et b K-FeO/graphène, et l'encart dans (a , b ) sont leurs images agrandies, respectivement. Voltammogrammes cycliques répétés de c , d le Fe2 O3 /électrode de graphène et e , f l'électrode K-FeO/graphène. Deux électrodes ont été balayées en continu pendant les 51 cycles avec un taux de balayage potentiel de 0,5 mV s −1 .

Diffraction des rayons X in situ

Par diffraction des rayons X in situ (XRD), les informations sur le changement structurel en temps réel au cours du processus de réaction de l'échantillon et une grande quantité d'informations comparables peuvent être obtenues en une courte période. Il peut non seulement observer le changement structurel de l'échantillon pendant le processus de synthèse, il peut également être utilisé pour détecter le changement structurel correspondant de l'échantillon à différentes températures sous charge/décharge à un certain potentiel, ce qui est très utile pour surveiller le mécanisme de réaction réel d'anode/cathode dans la batterie. De plus, notre groupe a étudié une connaissance précise de la constante de réseau de la wustite qui est nécessaire pour l'étude de ses propriétés physiques et chimiques à haute température. Le Fe1−x O a été synthétisé et caractérisé par un diffractomètre à rayons X à haute température (RINT2000-TTR, Rigaku Denki Co., Ltd.) avec des faisceaux parallèles (Fig. 2a) pour mesurer les pics de diffraction spécifiques, et la relation entre la composition et la constante de réseau de La wustite à haute température est également étudiée. Le processus de synthèse de la wustite avec le -Fe (95% en poids) et Fe3 O4 (99 % en poids) de poudres en tant que matériaux initiaux est une réaction eutectoïde (Fig. 2b). Cette réaction peut se dérouler entre 843,15 et 1673,15 K à certains Pco/Pco2 puisque la wustite est instable en dessous de 843,15 K, et les réactifs sont 19% Fe (% en poids) et 81% Fe3 O4 (en poids %). La figure 2c montre le schéma XRD des réactifs initiaux (magnétite et fer). Les conditions de l'expérience sont décrites dans le tableau 1. Après avoir purgé l'hélium (He) gazeux (25 ml min −1 ) dans le four du système XRD pendant 60 min, les réactifs ont été chauffés à une vitesse constante de 10 °C min −1 jusqu'à ce que la température des échantillons atteigne 843,15 K, qui étaient également en atmosphère He avec un débit de 25 ml min −1 . Ensuite, le gaz He a été épuisé, et le CO/CO2 le gaz avec un certain rapport (par exemple, 1:1 et 1:2) a été purgé dans le four. Après l'étalonnage de la température élevée en faisant fondre des flocons d'Au, la température réelle du porte-échantillon a pu être obtenue. De 843,15 K à la température souhaitée (1265,28 et 1365,28 K), la vitesse de chauffe était de 2 °C min −1 et le XRD a été utilisé pour mesurer l'échantillon pour la confirmation de la phase wustite. Lorsque l'échantillon a été réservé à la température souhaitée et dont la plupart était en phase de wustite, les angles de diffraction des plans cristallins de wustite ont été mesurés pendant une période de 240 à 420 min, puis la température de l'échantillon a augmenté de 50 ° C et est restée à cette température. pendant 60 minutes. Après ces procédures, la température de l'échantillon a diminué jusqu'à l'ancienne température souhaitée et la mesure XRD des angles de diffraction des plans cristallins de la wustite a été effectuée à nouveau sur une période de 180 à 240 minutes.

un Schéma de principe de la XRD in-situ. b Équilibre entre Fe, Fe1−y O, Fe3 O4 , CO, CO2 , et le carbone. c Modèle XRD des réactifs initiaux. d Schéma XRD de l'échantillon synthétisé à Pco/Pco2 = 1:1. e Schéma XRD de l'échantillon synthétisé à Pco/Pco2 = 1:2. f Les différentes constantes de réseau apparentes de la fonction NR de la wustite synthétisée à différentes températures et Pco/Pco2 . g Les résultats de la constante de réseau de la wustite

La constante de réseau peut être obtenue à partir d'une extrapolation linéaire des constantes de réseau apparentes à zéro de cette fonction, c'est-à-dire 2 Theta = 180°. Les pics de diffraction des plans cristallins (111), (200), (220), (311) et (222) de la wustite sont indexés sur la figure 2d, e, et le motif XRD de l'échantillon est obtenu à Pco/Pco 2 de 1:1 et 1:2, respectivement. La relation entre la constante de réseau apparente et la fonction Nelson-Riley sous différents Pco/Pco2 et les températures sont obtenues, comme le montre la figure 2f. Les lignes droites représentent les carrés correspondant aux données. Au moyen de ces lignes droites, les constantes de réseau apparentes ont été extrapolées au zéro de la fonction Nelson-Riley. Par conséquent, comme le montre la figure 2f :les résultats des vraies constantes de réseau obtenues à différentes températures et Pco/Pco2 sont 4,355 Å (1265,28 K, Pco/Pco2 = 1:1), 4,346 Å (1265,28 K, Pco/Pco2 = 1:2), 4,362 (1365,28 K, Pco/Pco2 = 1:1) et 4,354 Å (1365,28 K, Pco/Pco2 = 1:2), respectivement. Comme le montre la figure 2g, la constante de réseau augmente avec l'augmentation de x de Fe1−x O, et plus la température est élevée, plus la constante de réseau est grande. La relation entre la composition et la constante de réseau de la wustite à haute température peut être obtenue comme suit les équations. (3) et (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 Spectroscopie Fe Mössbauer

Les 57 La spectroscopie Fe Mössbauer implique les propriétés du noyau, y compris la structure du niveau d'énergie du noyau et l'environnement chimique dans lequel se trouve le noyau. Par conséquent, il peut être appliqué en conséquence pour étudier la valence des atomes, l'ionicité des liaisons chimiques, le nombre de coordination, la structure cristalline, la densité électronique et les propriétés magnétiques de l'échantillon. Les 57 La spectroscopie Fe Mössbauer est largement utilisée dans les domaines de la chimie et des matériaux. Ici, nous élaborons les 57 Spectroscopie Fe Mössbauer pour la caractérisation des oxydes de fer. Les 57 La spectroscopie Fe Mössbauer est utilisée pour distinguer et caractériser diverses phases d'oxyde de fer, et pour surveiller l'environnement local des atomes de Fe dans le réseau cristallin [39, 40].

Les paramètres hyperfins, tels que le décalage isomère (IS), la division quadripolaire (QS), le décalage quadripolaire (ɛ Q ) et champ magnétique hyperfin (B hf ) peut être obtenu en analysant la position des raies spectrales dans le spectre Mössbauer [41, 42]. Les caractéristiques de l'échantillon peuvent être déduites de la largeur et de l'asymétrie des raies spectrales. Grâce à la dépendance à la température et au champ des paramètres hyperfins, il est également possible de déduire des paramètres précieux.

Aldon et al. [42] ont étudié la réaction de conversion induite par le lithium de Fe1−x O en utilisant 57 Spectroscopie Fe Mössbauer. Les paramètres hyperfins (IS et QS) sont plutôt caractéristiques des espèces FeII dans antiferromagnétique (TN = 198 K [43]) Fe1−x O, montrant une absorption paramagnétique typique à température ambiante (RT). Comme indiqué dans le 57 Spectre Fe Mössbauer (Fig. 3a), il y a trois doublets élargis avec un IS ~ 1 mm s −1 et QS allant de ~ 0,50 à 1,50 mm s −1 , et leurs aires relatives sont corrigées de la contribution magnétique α-Fe. Les intensités d'absorption sont de 42, 26 et 15 %. Un quatrième doublet centré à IS ~ 0,55 mm s −1 , QS ~ 0.90 mm s −1 avec une aire relative de 11% est commun pour FeII I espèces, comme prévu dans Fe1−x non stoechiométrique O. Du FeII/FeII I ratio, le nombre de postes vacants est estimé à ~ 0,057 ± 0,008, proche de 0,050 par caractérisation XRD. Enfin, le doublet situé à QS ~ 1,68 mm s −1 et IS ~ 0 mm s −1 , correspondant à α-Fe, apporte une contribution de ~ 6%.

Réimprimé avec la permission de [42]. Copyright, Elsevier Masson SAS

Comparaison de 57 Spectres Fe Mössbauer à 300 K du Fe1−x vierge O matériel (a ), après une absorption de 1 Li (b ) et la fin du refoulement à 2,16 Li (c ). Les contributions vertes sont attribuées à FeII. La ligne verte la plus épaisse est la somme de la ligne la plus fine correspondant à Fe1−x n'ayant pas réagi O. La ligne bleue en pointillés correspond à la contribution croissante attendue de α-Fe de (a ) à (c ). Dans le cas de (c ), le sextuor magnétique a été légèrement décalé comme guide de l'œil. Spectre (d ) correspond à la fin de la première charge à 0,94 Li sans contribution de α-Fe, mais au singulet bleu nanométrique métallique ε-Fe 0 est toujours présent.

Comparaison avec Fe2 O3 et Fe3 O4 , la capacité spécifique de Fe1−x O est le plus bas. De plus, sa méthode de synthèse est plus compliquée. Dans la plupart des cas, la réaction de réduction à haute température est inévitable [3,4,5,6, 9, 11]. En conséquence, Fe1−x O n'est pas une anode LIB idéale comparée à Fe2 O3 ou Fe3 O4 .

Fe2 O3 Nanostructures basées

Parmi ces oxydes de fer, notamment Fe2 O3 , attire l'attention de nombreux chercheurs en raison de la capacité théorique élevée, qui peut atteindre 1000 mA h g −1 [44]. De plus, Fe2 O3 présente des avantages distinctifs, tels qu'une résistance élevée à la corrosion, un faible coût de production, un respect de l'environnement, une ininflammabilité, une non-toxicité et une disponibilité naturelle élevée [45]. En raison de ces excellentes propriétés, Fe2 O3 est très prometteur pour des applications dans les anodes LIB [46,47,48,49,50]. Ici, un aperçu concis des développements récents concernant la synthèse, la caractérisation et les performances électrochimiques de Fe2 O3 à base de nanostructures est fourni.

Synthèse et caractérisation

Au cours de la dernière décennie, d'énormes efforts ont été déployés pour explorer les méthodes de synthèse de Fe2 O3 à base de nanostructures. Dans cette section, nous avons élaboré et résumé des méthodes synthétiques de Fe2 O3 à base de nanostructures, y compris le dépôt en phase gazeuse [51], la méthode basée sur une solution [52], la méthode électrochimique [53], le traitement thermique [54] et d'autres méthodes [55, 56]. De plus, nous avons comparé différentes méthodes de synthèse.

De plus, le 57 Caractérisation par spectroscopie Fe2 de Fe2 O3 nanostructures est décrite en détail. Étant donné que seuls certains noyaux ont une absorption de résonance, le 57 La spectroscopie Fe Mössbauer n'est pas perturbée par d'autres éléments. La gamme des 57 La spectroscopie Fe Mössbauer affectée par l'environnement extranucléaire est généralement à quelques nanomètres près, elle est donc très appropriée pour caractériser la nanostructure.

Dépôt en phase gazeuse

Le dépôt en phase gazeuse est largement appliqué dans la synthèse de nombreux films minces et autres nanostructures, telles que Fe2 O3 et d'autres nanostructures à base d'oxydes de fer. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt par couche atomique (ALD), le dépôt physique en phase vapeur (PVD), le dépôt électrolytique et la pulvérisation cathodique réactive sont des méthodes typiques de dépôt en phase gazeuse [57,58,59,60].

L'ALD est un moyen unique de synthétiser des films minces à haute cristallinité et une voie moins chère que le dépôt en phase liquide. Dans le procédé ALD, la réaction chimique de chaque couche est directement accompagnée de la première couche. De cette manière, une seule couche est déposée par cycle de réaction. Par exemple, Lin et al. [51] ont utilisé ALD pour déposer un α-Fe2 ultramince de haute qualité O3 film sur TiSi2 nanonets. Les films minces nanoporeux auto-organisés en 3D ont été fabriqués par Yang et al. [61] par CVD et intégré dans un Fe2 hétérogène O3 /Fe3 C-graphene. En tant qu'anode LIB, sa capacité de débit et sa cyclabilité peuvent être considérablement améliorées par le dépôt de ce film mince. César et al. [62] ont déposé des couches minces de Fe2 dopé silicium O3 nanostructures dendritiques par CVD à pression atmosphérique (APCVD), qui a produit Fe2 O3 photoanodes qui oxydent l'eau sous la lumière visible avec une efficacité sans précédent. Le dendritique α-Fe2 O3 les nanostructures ont montré une surface macroscopique de 0,5 cm 2 [62]. Le α-Fe2 aligné verticalement O3 La matrice de nanotiges est cultivée sur un substrat de silicium via un CVD métal-organique (MOCVD) par Wu et al. [63]. De plus, Jia et al. [64] ont utilisé un dépôt par pulvérisation cathodique radiofréquence pour fabriquer du α-Fe2 O3 films ultrafins.

Bien que le dépôt en phase gazeuse soit capable de préparer du Fe2 de haute qualité O3 à base de nanostructures, il présente également des inconvénients. Par exemple, APCVD et MOCVD ont une toxicité et une inflammabilité élevées dans le processus des précurseurs.

Méthode synthétique basée sur la solution

La méthode synthétique basée sur la solution est courante et facile à fabriquer Fe2 O3 et d'autres oxydes de fer. Fe2 O3 avec diverses morphologies, telles que les nanofleurs [65], les nanosphères [66], les nanoparticules [67], les nanotiges [68], les nanotubes [14], les nanoanneaux [69], les nanoceintures [70], les nanoflocons [71], les nanofils [72] , des nanofibres [73] et des microboîtes [54], ont été synthétisés par une méthode basée sur des solutions, par exemple des approches hydrothermales, solvothermes et sol-gel. Ces méthodes sont très faciles et disponibles. Zhong et al. [65] ont utilisé une méthode solvothermique pour fabriquer Fe2 O3 nanofleurs (Fig. 4) via un processus d'auto-assemblage médié par l'éthylène glycol. Vayssières et al. [52] ont rapporté la croissance de Fe2 poreux O3 réseau de nanotiges sur verre conducteur d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) par un procédé hydrothermal. Par croissance hydrothermale de α-Fe2 O3 précurseur sur SnO2 tiges de nanofils, un nouveau α-Fe2 ramifié à symétrie sextuple O3 /SnO2 l'hétérostructure (Fig. 5) a été synthétisée [74]. Il existe une autre technique facile et économique, la méthode sol-gel, pour synthétiser Fe2 O3 nanostructures. Woo et al. [68] ont utilisé une méthode sol-gel pour obtenir α-Fe2 O3 nanotiges par réaction de Fe 3+ omniprésent en micelles inversées. Les nanotiges obtenues par ce mécanisme ont une faible dimensionnalité et une grande surface spécifique, qui peut être étendue à la magnétite et à la wustite.

Réimprimé avec la permission de [65]. Droits d'auteur, Wiley-VCH

un SEM et b Images MET du α-Fe2 tel qu'il est obtenu O3 . c Image MET à fort grossissement du pétale de la structure en forme de fleur du -Fe2 tel qu'obtenu O3 . d Modèle SAED du α-Fe2 obtenu O3 .

Réimprimé avec la permission de [74]. Droits d'auteur, Wiley-VCH

unf Images SEM des produits (après recuit) à différentes étapes de réaction en réglant le temps de réaction. Les encarts sont les images SEM agrandies correspondantes. Les barres d'échelle sur les figures et les encarts sont respectivement de 2 µm et 500 nm. g Schéma du processus de formation du -Fe2 assemblé hiérarchiquement O3 /SnO2 nanocomposite.

Méthode électrochimique

La méthode électrochimique est utilisée pour synthétiser Fe2 O3 nanostructures, par exemple, le dépôt électrochimique est appliqué dans la fabrication de Fe2 O3 nanoparticules [53]. Par anodisation d'une feuille de fer dans une solution d'électrolyte d'éthylène glycol contenant de l'eau désionisée (DI) et du NH4 F à une tension de 30 à 60 V, α-Fe2 O3 un réseau de nanotubes a été obtenu [75]. De plus, l'anodisation électrochimique est utilisée pour synthétiser Fe2 O3 réseau de nanotubes [76]. Mao et al. [77] ont rapporté la synthèse de Fe2 O3 matrice utilisant le dépôt électrochimique. Dans leurs travaux de recherche, le fer a été déposé dans des canaux de matrice AAO par dépôt électrochimique, puis la matrice AAO a été retirée par une solution de NaOH, et enfin le réseau de nanotiges de fer a été converti en Fe2 O3 déployer. La particularité de cette recherche est qu'en modifiant la durée de dépôt, la longueur de Fe2 O3 les nanotiges peuvent être finement contrôlées.

Traitement Thermique

Le traitement thermique pour la synthèse de Fe2 O3 implique deux approches importantes, l'oxydation thermique et la pyrolyse thermique. Par exemple, Zhang et al. [54] préparé Fe2 O3 microboîtes (Fig. 6) via la décomposition oxydative induite thermiquement de microcubes de bleu de Prusse (PB) à 350–650 °C. L'approche à l'état solide fournira un moyen plus facile pour la synthèse à grande échelle de structures creuses anisotropes uniformes par rapport à la méthode basée sur la solution largement utilisée. Fe2 O3 avec différentes morphologies ont été préparés via des paramètres d'oxydation thermique commandants. α-Fe2 O3 des nanostructures par traitement thermique facile de précurseurs à base de fer sont proposées. Par exemple, Rao et Zheng [71] ont utilisé un traitement thermique pour préparer du α-Fe2 aligné de manière dense. O3 tableau de nanoflocons.

Réimprimé avec la permission de [54]. Droit d'auteur, Société chimique américaine

un , b FESEM et c Images MET de Fe2 creux O3 microboîtes obtenues à 350 °C. d Illustration schématique de la formation de Fe creux2 O3 microboîtes et l'évolution de la structure de la coque avec l'augmentation de la température de calcination.

La pyrolyse thermique est une autre méthode courante pour déposer Fe2 O3 Films minces. Duret et al. [78] ont appliqué cette méthode pour obtenir du α-Fe2 mésoscopique O3 films de feuillets par pyrolyse par pulvérisation ultrasonique, tandis que les films fabriqués ont une photoactivité plus élevée que ceux fabriqués par les techniques conventionnelles de pyrolyse par pulvérisation. Aussi, la synthèse de α-Fe2 O3 Un réseau de nanoflocons, de nanofleurs, de nanofils et de nanotiges via un dépôt en phase vapeur, un dépôt en phase liquide et un traitement thermique est rapporté [63, 71, 72, 79].

Autres méthodes

En 2016, Guivar et al. [55] vacance composée ordonné maghémite (γ-Fe2 O3 ) des nanoparticules fonctionnalisées avec de la nanohydroxyapatite (nanoHAp), en utilisant une voie chimique typique de co-précipitation. Remarquablement, le γ-Fe2 O3 fonctionnalisé avec nanoHAp étiqueté comme γ-Fe2 O3 @HAp est formé sans aucun processus thermique comme la calcination.

Il existe de nombreuses façons de synthétiser Fe2 O3 , mais la plupart d'entre eux ne sont pas respectueux de l'environnement. En 2019, Bashir et al. [56] ont développé une méthode écologique pour obtenir α-Fe2 O3 nanoparticules, en utilisant l'extrait de graines de Persea Americana. Ils ont utilisé deux précurseurs différents pour préparer deux échantillons de α-Fe2 O3 , un échantillon (A) préparé à partir de Fe(NO3 )3 ·9H2 O, et un autre échantillon (B) préparé FeCl3 ·9H2 O.

Les 57 Les spectres Fe Mössbauer des échantillons A et B enregistrés à 300 K (température ambiante (RT)) sont présentés sur la figure 7. Le 57 La spectroscopie Fe Mössbauer est une technique très précieuse pour explorer le comportement magnétique local et l'état d'oxydation des atomes de fer dans une matrice particulière [80]. Les deux échantillons ont révélé un ordre magnétique et n'ont affiché qu'un seul sextet indiquant un état d'ordre magnétique. Le tableau 2 montre 57 Fe extrait les paramètres Mössbauer à RT, qui répertorie IS, ɛ Q et B hf . B des deux échantillons hf au-dessus de 51 T sont liés à 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. un 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

un 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

un 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

un 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.

Disponibilité des données et des matériaux

Non applicable.


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