一种Zn2SnO4/活性炭复合材料的制备方法与流程

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种絮状zn2sno4负载活性炭的制备方法。

背景技术：

随着环境的恶化和传统的不可再生能源（如煤、石油和天然气）的枯竭，灵活、轻便和环保的可再生能源存储设备被推广。超级电容器是下一代电力设备的候选产品，由于其高功率密度、快速充电能力、优异的循环稳定性、长循环寿命和工作温度范围广和绿色环保等优势，被广泛应用于电动汽车、风力发电、移动电源、军事和航天等领域。

碳基材料、金属氧化物、金属硫化物和导电聚合物可用作超级电容器电极材料。三元金属氧化物，如mmo2o4(m=zn，ni)，mfe2o4(m=zn、co、ni)和m2sno4(m=mg、zn、co)，因为理论比电容很高，在超级电容器电极材料中起着重要作用。其中，钴氧化物被认为是最优秀的电化学材料。然而，由于co元素的稀有性和昂贵性，许多研究人员试图使用来源广、价格更便宜的元素来代替co元素。锌锡由于来源广和价格低是理想的元素之一。因此，zn2sno4被认为是一种重要的三元电极材料，因为它具有高电子迁移率(10~15cm²v^-1s^-1)、优异的吸附性和化学稳定性。然而，作为电极材料的zn2sno4会在电化学反应过程中引起巨大的体积膨胀(>200%)，导致比容量迅速衰减，这阻碍了zn2sno4电极材料的商业化进程。

最近，研究人员发现纳米化、掺杂和复合zn2sno4可以避免体积膨胀并改善电化学性能。鲍磊等人制造柔性zn2sno4/mno2核/壳纳米碳微纤维复合材料以改善超级电容器电极的电化学性能（nanolett.2011,11,1215）。切里安等人证明zn2sno4纳米线显示出比zn2sno4纳米板更稳定的容量（acsappl.mater.interfaces.2013,5,6054）。王凯等人利用聚吡咯掺杂的空心zn2sno4来克服膨胀问题并改善循环性能（ceram.int.2014,40,2359）。此外，裸露zn2sno4的导电性相对较差也导致电化学性能不理想。人们已经付出了巨大的努力来将碳基材料zn2sno4结合起来，以改善电化学性能。这种复合材料可以利用这两种成分的优点：碳基材料的高电导率和巨大体积变化以及zn2sno4的高比容量。这种纳米碳基合成zn2sno4，比如zn2sno4/石墨烯等复合材料、zn2sno4/cnts、zn2sno4/mno2/碳微纤维、zn2sno4/c等，已经被成功合成，而且比容量和循环稳定性被证明高于裸露的zn2sno4。尽管纳米碳材料如cnts和石墨烯结合zn2sno4复合材料显示出高比容量和循环稳定性，但这些纳米碳材料价格昂贵，难以制备和商业化生产。对于应用，活性炭基超级电容器由于其高表面积、导电性、化学稳定性和低成本而更适用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种zn2sno4/活性炭复合材料的制备方法，该方法制备得到絮状zn2sno4负载活性炭的复合材料，可以提高超级电容器电极材料的比电容和循环充放电稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供一种zn2sno4/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：一、将sncl4和zncl2溶于蒸馏水中，配制成含sn⁴⁺/zn²⁺摩尔比为1:2的金属溶液a，然后加入一定量的活性炭，搅拌5h；二、将一定量的c4o6hkna溶于蒸馏水中，搅拌均匀制成溶液b；三、将溶液a置于40~60℃的水浴鼓泡搅拌器中，从鼓泡搅拌器底部以10~50ml/min的速率通入n2鼓泡，并逐滴加入溶液b后加入2mol/l的naoh溶液，监测鼓泡搅拌器中溶液的ph为9时立即停止通入n2，继续在40~60℃的水浴保持一段时间；四、移入反应釜中100~200℃反应10~24h，所得产物以5000~10000r·min^-1的转速离心分离，然后用乙醇和蒸馏水清洗至中性；五、然后将材料置于马弗炉中，在空气气氛中以1℃/min的升温速率在300~400℃下加热2小时，得到絮状zn2sno4/活性炭复合材料。

本发明优点：本发明方法具有操作简单、环境友好、耗能低等优点；所获得的絮状zn2sno4/活性炭复合材料用于超级电容器电极时具有较高的比电容值和良好的电化学性能稳定性。

本发明采用扫描电子显微镜（sem）表征本发明制备的zn2sno4/活性炭复合材料的微观结构，采用x射线衍射技术（xrd）分析本发明制备的zn2sno4/活性炭复合材料的物相，，采用电化学工作站来测试本发明制备的zn2sno4/活性炭复合材料的电化学性能，可知本发明成功制备出了具有较高的比电容值和良好的电化学性能稳定性的zn2sno4/活性炭复合材料。

附图说明

图1是实施方式一制备的zn2sno4/活性炭复合材料的sem图，通过图1可知本发明制备的zn2sno4/活性炭复合材料形成了絮状zn2sno4负载活性炭的结构。

图2是实施方式一制备的zn2sno4/活性炭复合材料的xrd曲线图，证实制备的zn2sno4/活性炭复合材料含有zn2sno4物相和活性炭物相。

图3是实施方式一制备的zn2sno4/活性炭复合材料的恒流放电曲线图，通过图3可知本发明制备的zn2sno4/活性炭复合材料在电流密度为1a/g、2a/g、4a/g、8a/g下的比电容值分别为488.9f/g、412.5f/g、335.2f/g、275.0f/g。

图4是实施方式一制备的zn2sno4/活性炭复合材料的循环稳定性能图，通过图4可知本发明制备的zn2sno4/活性炭复合材料在1a/g电流密度下经过3000次循环仍保持96.5%的比电容值。

具体实施方式

下面是结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

具体实施方式一：一、将0.005mol的sncl4和0.01mol的zncl2溶于50ml蒸馏水中，配制成含sn⁴⁺/zn²⁺摩尔比为1:2的金属溶液a，然后加入1g活性炭，搅拌5h；二、将0.002mol的c4o6hkna溶于50ml蒸馏水中，搅拌均匀制成溶液b；三、将溶液a置于50℃的水浴鼓泡搅拌器中，从鼓泡搅拌器底部以30ml/min的速率通入n2鼓泡，并逐滴加入溶液b后加入2mol/l的naoh溶液，监测鼓泡搅拌器中溶液的ph为9时立即停止通入n2，继续在50℃的水浴保持30min；四、移入反应釜中150℃反应15h，所得产物以8000r·min^-1的转速离心分离，然后用乙醇和蒸馏水清洗至中性；五、然后将材料置于马弗炉中，在空气气氛中以1℃/min的升温速率在400℃下加热2小时，得到絮状zn2sno4/活性炭复合材料。

具体实施方式二：一、将0.005mol的sncl4和0.01mol的zncl2溶于50ml蒸馏水中，配制成含sn⁴⁺/zn²⁺摩尔比为1:2的金属溶液a，然后加入1g活性炭，搅拌5h；二、将0.002mol的c4o6hkna溶于50ml蒸馏水中，搅拌均匀制成溶液b；三、将溶液a置于40℃的水浴鼓泡搅拌器中，从鼓泡搅拌器底部以10ml/min的速率通入n2鼓泡，并逐滴加入溶液b后加入2mol/l的naoh溶液，监测鼓泡搅拌器中溶液的ph为9时立即停止通入n2，继续在40℃的水浴保持30min；四、移入反应釜中200℃反应10h，所得产物以10000r·min^-1的转速离心分离，然后用乙醇和蒸馏水清洗至中性；五、然后将材料置于马弗炉中，在空气气氛中以1℃/min的升温速率在300℃下加热2小时，得到絮状zn2sno4/活性炭复合材料。

具体实施方式三：一、将0.005mol的sncl4和0.01mol的zncl2溶于50ml蒸馏水中，配制成含sn⁴⁺/zn²⁺摩尔比为1:2的金属溶液a，然后加入1g活性炭，搅拌5h；二、将0.002mol的c4o6hkna溶于50ml蒸馏水中，搅拌均匀制成溶液b；三、将溶液a置于60℃的水浴鼓泡搅拌器中，从鼓泡搅拌器底部以50ml/min的速率通入n2鼓泡，并逐滴加入溶液b后加入2mol/l的naoh溶液，监测鼓泡搅拌器中溶液的ph为9时立即停止通入n2，继续在60℃的水浴保持10min；四、移入反应釜中100℃反应24h，所得产物以5000r·min^-1的转速离心分离，然后用乙醇和蒸馏水清洗至中性；五、然后将材料置于马弗炉中，在空气气氛中以1℃/min的升温速率在400℃下加热2小时，得到絮状zn2sno4/活性炭复合材料。

具体实施方式四：一、将0.005mol的sncl4和0.01mol的zncl2溶于50ml蒸馏水中，配制成含sn⁴⁺/zn²⁺摩尔比为1:2的金属溶液a，然后加入2g活性炭，搅拌5h；二、将0.004mol的c4o6hkna溶于50ml蒸馏水中，搅拌均匀制成溶液b；三、将溶液a置于55℃的水浴鼓泡搅拌器中，从鼓泡搅拌器底部以30ml/min的速率通入n2鼓泡，并逐滴加入溶液b后加入2mol/l的naoh溶液，监测鼓泡搅拌器中溶液的ph为9时立即停止通入n2，继续在55℃的水浴保持20min；四、移入反应釜中130℃反应18h，所得产物以7000r·min^-1的转速离心分离，然后用乙醇和蒸馏水清洗至中性；五、然后将材料置于马弗炉中，在空气气氛中以1℃/min的升温速率在350℃下加热2小时，得到絮状zn2sno4/活性炭复合材料。

具体实施方式五：一、将0.005mol的sncl4和0.01mol的zncl2溶于50ml蒸馏水中，配制成含sn⁴⁺/zn²⁺摩尔比为1:2的金属溶液a，然后加入2g活性炭，搅拌5h；二、将0.004mol的c4o6hkna溶于50ml蒸馏水中，搅拌均匀制成溶液b；三、将溶液a置于50℃的水浴鼓泡搅拌器中，从鼓泡搅拌器底部以40ml/min的速率通入n2鼓泡，并逐滴加入溶液b后加入2mol/l的naoh溶液，监测鼓泡搅拌器中溶液的ph为9时立即停止通入n2，继续在50℃的水浴保持20min；四、移入反应釜中180℃反应18h，所得产物以6000r·min^-1的转速离心分离，然后用乙醇和蒸馏水清洗至中性；五、然后将材料置于马弗炉中，在空气气氛中以1℃/min的升温速率在320℃下加热2小时，得到絮状zn2sno4/活性炭复合材料。

具体实施方式六：一、将0.005mol的sncl4和0.01mol的zncl2溶于50ml蒸馏水中，配制成含sn⁴⁺/zn²⁺摩尔比为1:2的金属溶液a，然后加入0.5g活性炭，搅拌5h；二、将0.001mol的c4o6hkna溶于50ml蒸馏水中，搅拌均匀制成溶液b；三、将溶液a置于60℃的水浴鼓泡搅拌器中，从鼓泡搅拌器底部以20ml/min的速率通入n2鼓泡，并逐滴加入溶液b后加入2mol/l的naoh溶液，监测鼓泡搅拌器中溶液的ph为9时立即停止通入n2，继续在60℃的水浴保持10min；四、移入反应釜中160℃反应16h，所得产物以9000r·min^-1的转速离心分离，然后用乙醇和蒸馏水清洗至中性；五、然后将材料置于马弗炉中，在空气气氛中以1℃/min的升温速率在400℃下加热2小时，得到絮状zn2sno4/活性炭复合材料。