本發(fā)明涉及電化學納米材料合成，具體是一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法及其應用。

背景技術(shù)：

1、超級電容器是一種能夠進行快速充電的新型儲能裝置，具有高功率密度和長循環(huán)壽命的特點，可以應用于電動汽車、便攜式電子設備和可再生能源的能量存儲與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。錳是地球上較為豐富的金屬元素之一，而氧化錳是其一種常見的化合物，因其高理論比容量、豐富的氧化還原活性以及易于合成的的特點，常被作超級電容器的電極材料。相比于一些稀有金屬或者昂貴的材料，氧化錳有助于降低超級電容器的制造成本。然而氧化錳材料的超級電容性能離理論容量差距甚遠，這是由于氧化錳材料的比表面積低、電子和離子傳導性能差以及氧化錳電極材料在循環(huán)過程的溶解問題。近年來，通過形態(tài)工程、缺陷工程和異質(zhì)結(jié)工程等方法對氧化錳進行改性，以增強其電化學性能，包括增加有效活性位點、本征電導率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明中將錳源、鈷源等原料進行水熱反應。本發(fā)明通過是否加入鈷源以及加入鈷源的量不同，對鈷錳氧化物的晶型轉(zhuǎn)變進行控制，晶型轉(zhuǎn)變具體為mn2o3、mn3o4和comno3，從而制得球形鈷錳氧化物并表現(xiàn)出良好的超級電容性能，且反應過程中不涉及到高錳酸鉀的還原，減小了對環(huán)境的污染。本發(fā)明材料的生產(chǎn)過程對環(huán)境影響小，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。且反應得到的產(chǎn)物為微米球形結(jié)構(gòu)，材料的生產(chǎn)過程工藝簡單可控、技術(shù)成熟，可重復性強，能夠從實驗室規(guī)模擴展到工業(yè)規(guī)模，滿足大批量生產(chǎn)的需求，通過本發(fā)明的這一合成方法得到的鈷錳氧化物因其超級電容性能優(yōu)異、成本效益、簡單制造和較小的環(huán)境危害而具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法及其應用，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，包括如下步驟：

4、s1、將乙二醇和去離子水放入到反應容器中攪拌，混合均勻形成溶液a，攪拌過程中向溶液a中通入氮氣，去除混合溶液中的氧氣；

5、s2、將六水氯化鈷、四水乙酸錳、葡萄糖-聚乙烯醇復合物和尿素依次加入到步驟s1中的a溶液中，攪拌混合均勻得到溶液b；

6、s3、將步驟s2中得到的溶液b升溫到200℃，反應12h，反應完成之后自然冷卻至室，離心過濾得到產(chǎn)物，將產(chǎn)物通過3次去離子水和3次無水乙醇洗滌，之后將產(chǎn)物在60℃的烘干箱的干燥過夜，最終得到前驅(qū)體；

7、s4、將步驟s3中得到的前驅(qū)體倒入坩堝中，放入高溫爐中，以5℃/min的溫度升溫至500℃并保持2h后自然冷卻至室溫，最終得到鈷摻雜錳氧化物。

8、進一步的，所述步驟s1中去離子水與乙二醇之間的質(zhì)量比為1:3。

9、進一步的，所述步驟s2中六水氯化鈷、四水乙酸錳、葡萄糖-聚乙烯醇復合物和尿素之間的質(zhì)量比為1:(0.71-5.68):(0.13-1.01):(1.89-15.15)，所述步驟s1中的溶液a與步驟s2中尿素之間的質(zhì)量比為12:1。

10、進一步的，所述步驟s2中六水氯化鈷與四水乙酸錳之間的質(zhì)量比為1:1.42。

11、進一步的，所述步驟s2中的葡萄糖-聚乙烯醇復合物通過如下步驟制備：

12、s101、將聚乙烯醇加入到去離子水中，加熱到80-95℃，使聚乙烯醇完全溶解，繼續(xù)加入葡萄糖、對甲苯磺酸和鹽酸，反應2-4h之后，調(diào)節(jié)ph到6-7，得到混合溶液；

13、s102、向步驟s101中得到的混合溶液中繼續(xù)加入質(zhì)量分數(shù)為3％的雙氧水，降溫到65-75℃，繼續(xù)反應1-2h后冷卻到室溫，鹽析干燥得到葡萄糖-聚乙烯醇復合物。

14、進一步的，所述步驟s101中對甲苯磺酸的濃度為1mol/l，所述鹽酸的濃度為4mol/l，所述葡萄糖、聚乙烯醇和去離子水之間的質(zhì)量比為3:1:30，所述鹽酸、對甲苯磺酸和去離子水之間的質(zhì)量比為1:1:60。

15、進一步的，所述步驟s102中雙氧水與步驟s101中去離子水之間的質(zhì)量比為1:10。

16、一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法制備出的制備出的鈷錳氧化物(comno3)材料在超級電容器中的應用。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

18、1.本發(fā)明的合成過程中使用原料安全便宜易得，且不使用高錳酸鉀等有害化學物質(zhì)，降低合成過程中的成本和其對環(huán)境的潛在影響，通過水熱和空氣下煅燒的方法，不需要復雜的合成步驟和額外的材料，降低了成本和制備難度；材料的生產(chǎn)過程對環(huán)境影響小，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，且反應得到的產(chǎn)物為微米球形結(jié)構(gòu)，材料的生產(chǎn)過程工藝簡單可控、技術(shù)成熟，可重復性強，能夠從實驗室規(guī)模擴展到工業(yè)規(guī)模，滿足大批量生產(chǎn)的需求；

19、2.本發(fā)明通過微量的鈷元素，在水熱反應中成功誘導氧化錳晶型轉(zhuǎn)變，本發(fā)明中通過摻雜鈷元素，可以改變氧化錳的電子結(jié)構(gòu)，提高其電導率和比電容，摻雜可以優(yōu)化氧化錳的電子結(jié)構(gòu)和活性位點，進而提高其電容性能，合成得到的氧化錳材料是微米材料，避免的納米結(jié)構(gòu)在電解液中容易溶解的問題，并得鈷源和錳源的質(zhì)量比為多少時合成的鈷錳氧化物具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，更有利于快速的電子離子傳導過程，表現(xiàn)出最高的比容量；

20、3.通過葡萄糖獨特的六環(huán)結(jié)構(gòu)使制備出來的納米材料成核質(zhì)量高，且葡萄糖與聚乙二醇之間復合，熱穩(wěn)定性高，保證添加料的穩(wěn)定作用，且通過復合材料修飾在金屬的外側(cè)，在水環(huán)境中形成靜電排斥，制備出的材料分散穩(wěn)定均勻。

技術(shù)特征：

1.一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，其特征在于，所述步驟s1中去離子水與乙二醇之間的質(zhì)量比為1:3。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，其特征在于，所述步驟s2中六水氯化鈷、四水乙酸錳、葡萄糖-聚乙烯醇復合物和尿素之間的質(zhì)量比為1:(0.71-5.68):(0.13-1.01):(1.89-15.15)，所述步驟s1中的溶液a與步驟s2中尿素之間的質(zhì)量比為12:1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，其特征在于，所述步驟s2中六水氯化鈷與四水乙酸錳之間的質(zhì)量比為1:1.42。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，其特征在于，所述步驟s2中的葡萄糖-聚乙烯醇復合物通過如下步驟制備：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，其特征在于，所述步驟s101中對甲苯磺酸的濃度為1mol/l，所述鹽酸的濃度為4mol/l，所述葡萄糖、聚乙烯醇和去離子水之間的質(zhì)量比為3:1:30，所述鹽酸、對甲苯磺酸和去離子水之間的質(zhì)量比為1:1:60。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法，其特征在于，所述步驟s102中雙氧水與步驟s101中去離子水之間的質(zhì)量比為1:10。

8.如權(quán)利要求1-7任意一項所述的一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法制備出的鈷錳氧化物材料在超級電容器中的應用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電化學納米材料合成技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種利用鈷摻雜誘導晶型轉(zhuǎn)變制備鈷錳氧化物材料的方法及其應用，其具體包括如下步驟：S1、將乙二醇和去離子水放入到反應容器中攪拌，混合均勻形成溶液A；S2、將六水氯化鈷、四水乙酸錳、葡萄糖?聚乙烯醇復合物和尿素依次加入到步驟S1中的A溶液中，得到溶液B；S3、將步驟S2中得到的溶液B升溫反應并清洗干燥得到前驅(qū)體；S4、將步驟S3中得到的前驅(qū)體倒入坩堝中，放入高溫爐中，最終得到鈷摻雜錳氧化物。本發(fā)明中制備方法簡單，通過微量鈷元素成功誘導氧化錳晶型轉(zhuǎn)變，制備出的材料電化學性能優(yōu)秀。

技術(shù)研發(fā)人員：吳中,武英龍,呂長鵬,徐玲玲,宗茂樂
受保護的技術(shù)使用者：蚌埠學院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19