青岛大学徐秉辉团队: 碳基Fe₃O₄量子点复合材料合理设计与绿色高效合成

研究背景

四氧化三铁具有无毒、磁性和优良的生物相容性等优点，常用作可方便分离的高性能异相芬顿反应催化剂，也被广泛研究应用于医学、化学传感器、超级电容器和二次电池等新型储能领域。

利用石墨烯、热解碳等碳基支撑材料分散负载纳米级四氧化三铁能够有效克服纳米粒子自发团聚的不利因素，从而发挥出小尺寸四氧化三铁的优势，得到优异的材料性能。

目前报道的碳基纳米四氧化三铁复合材料的合成方法普遍存在工艺复杂、原子利用率低下以及材料的形貌和纳米粒子的尺寸不易控制等弊端。

研究内容

近日，青岛大学徐秉辉副教授带领研究团队以生物质茶多酚、氧化石墨烯、均苯三酸与金属铁箔为起始材料，利用材料在温和水相条件下在氧化石墨烯表面反应，控制金属有机骨架前驱物 Fe-BTC 的尺寸及在石墨烯表面的分布，进一步衍生制备出了多级碳骨架支撑四氧化三铁量子点复合材料并对其高倍率锂离子存储性能进行了研究。

该工作利用生物质茶多酚对氧化石墨烯进行表面修饰，控制了氧化石墨烯层与金属铁之间的氧化还原反应，从而进一步调节石墨烯表面原位生成的 Fe-BTC 金属有机骨架的尺寸大小。由此得到的前驱体材料中，还原氧化石墨烯层的过度堆积和表面负载的小尺寸 Fe-BTC 金属有机骨架的自发聚集等不利因素被显著抑制。该前驱体材料经过热处理后得到的 Fe-BTC 衍生四氧化三铁量子点被有效地分散在由热解碳和还原氧化石墨烯支撑骨架的多级结构碳质基质中。

电化学测试结果表明，在半电池中，Fe₃O₄ QDs@C/RGO 复合材料在 200 mA·g^-1 的电流密度下循环 150 次后的可逆容量为 1070.84 mAh·g^-1，在 1000 mA·g^-1 的电流密度下循环 300 次后的可逆容量为 738.03 mAh·g^-1。在全电池中，该复合材料在 200 mA·g^-1 的电流密度下循环 150 次后的可逆容量为 717.29 mAh·g^-1。

这些结果为碳基四氧化三铁复合材料的合理设计以及绿色高效合成提供了启示和理论指导。该成果以“Synthesis of a MOF-derived magnetite quantum dots on surface modulated reduced graphene oxide composite for high-rate lithium-ion storage”(《基于石墨烯表面调控策略合成金属有机骨架衍生碳基四氧化三铁量子点复合材料》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 RSC Applied Interfaces 上，并入选为期刊封底文章。

论文信息

Synthesis of a MOF-derived magnetite quantum dots on surface modulated reduced graphene oxide composite for high-rate lithium-ion storage

Ruixin Jia, Longbiao Yu, Zhenqi Han, Shuo Liu, Panpan Shang, Siqi Deng, Xuehua Liu and Binghui Xu*（徐秉辉，青岛大学）

RSC Appl. Interfaces., 2024,1, 233-244

https://doi.org/10.1039/D3LF00128H

作者简介

贾睿鑫 硕士研究生
青岛大学

本文第一作者，青岛大学材料科学与工程学院、能源与环境材料研究院硕士研究生，导师为徐秉辉副教授，主要研究方向为新型 MOF 材料的合成及其衍生物的结构调控与储能性能研究。

徐秉辉 副教授
青岛大学

本文通讯作者，副教授，青岛大学特聘教授，硕士生导师。2016年5月于澳大利亚昆士兰大学化学工程学院获得博士学位；2016年9月至今，在青岛大学材料科学与工程学院、能源与环境材料研究院从事教学科研工作。主要研究方向包括新型碳材料、MOF材料及其衍生物的绿色高效合成，并进一步研究这些材料在锂离子电池以及环境保护等领域的潜在应用。累计在 Energy & Environmental Science、Applied Catalysis B: ENVIRONMENTAL、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal 以及 Journal of Colloid and Interface Science 等科技期刊发表研究论文 60 余篇，其中以第一作者/主要通讯作者发表高水平科研论文 30 余篇，论文共计他引 3500 余次，h-index = 32（Web of Science）。担任期刊 Materials 专题顾问委员会成员（Topical Advisory Panel Member）以及 30 余个科技期刊特约审稿人，以第一发明人申请国家专利 3 项，主持科研项目 3 项，研究成果获得省厅级奖励 1 项。