一种氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料及其制备方法与应用

文档序号:25911876发布日期:2021-07-16 22:27阅读:来源:国知局

技术特征:
1.一种氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤:(1)zno纳米棒阵列材料的制备:将硝酸锌、硝酸铵溶解在去离子水中,超声分散均匀,得到反应体系a;以石墨电极为对电极,以柔性碳布基底为工作电极,进行电化学沉积反应;将反应产物洗涤、干燥,得到在柔性碳布基底上生长的zno纳米棒阵列材料;(2)zno@zmo核壳纳米棒阵列材料的制备:将乙酸锌、乙酸锰和水混合,得到反应体系b;再加入无水乙醇超声分散均匀,得到反应体系c;将反应体系c的ph值调节到9.5~10.5,以石墨电极为对电极,以步骤(1)得到的zno纳米棒阵列材料为工作电极,进行电化学沉积反应;将反应产物洗涤、干燥,得到在柔性碳布基底上生长的zno@zmo核壳纳米棒阵列材料;(3)zmo纳米管阵列材料的制备:将步骤(2)得到zno@zmo核壳纳米棒阵列材料浸没在硫酸溶液中,去除zno纳米棒阵列材料,得到zmo纳米管阵列材料;(4)制备n

zmo纳米管阵列材料:将步骤(3)得到的zmo纳米管阵列材料置于真空环境中,在氨气气氛下进行热还原反应,得到氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的硝酸锌和所述的硝酸铵按摩尔比1:4~6配比混合;步骤(1)中所述的硝酸锌在所述的反应体系a中的浓度为0.8~1.2mmol l
‑1;步骤(1)中所述的电化学沉积反应的温度为50~100℃;步骤(1)中所述的电化学沉积反应的电流密度为0.2~0.6ma cm
‑2;步骤(1)中所述的电化学沉积反应的时间为0.5~3h;步骤(2)中所述的乙酸锌和所述的乙酸锰按摩尔比1:1.5~2.5配比混合;步骤(2)中所述的乙酸锌在所述的反应体系b中的浓度为0.8~1.2mmol l
‑1;步骤(2)中所述的乙酸锰在所述的反应体系b中的浓度为1.5~2.5mmol l
‑1;步骤(2)中所述的乙醇的用量按乙醇:水=体积比1:13~16配比混合;步骤(2)中所述的电化学沉积反应的温度为10~60℃;步骤(2)中所述的电化学沉积反应的电流密度为0.1~0.5ma cm
‑2;步骤(2)中所述的电化学沉积反应的时间为0.1~80h;步骤(3)中所述的硫酸溶液为浓度为2mmol l
‑1的硫酸溶液;步骤(3)中所述的浸没的时间为4~6h;步骤(4)中所述的真空环境的压强为10~30mtorr;步骤(4)中所述的氨气的注入速度为50~150ml min
‑1;步骤(4)中所述的热还原反应的温度为100~600℃;步骤(4)中所述的热还原反应的时间为0.5~6。3.根据权利要求2所述的氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的硝酸锌和所述的硝酸铵按摩尔比1:5配比混合;步骤(1)中所述的硝酸锌在所述的反应体系a中的浓度为1mmol l
‑1;步骤(1)中所述的电化学沉积反应的温度为50~100℃;步骤(1)中所述的电化学沉积反应的电流密度为0.4ma cm
‑2;
步骤(1)中所述的电化学沉积反应的时间为1.5h;步骤(2)中所述的乙酸锌和所述的乙酸锰按摩尔比1:2配比混合;步骤(2)中所述的乙酸锌在所述的反应体系b中的浓度为1mmol l
‑1;步骤(2)中所述的乙酸锰在所述的反应体系b中的浓度为2mmol l
‑1;步骤(2)中所述的乙醇的用量按乙醇:水=体积比1:14~15配比混合;步骤(2)中所述的ph值为10;步骤(2)中所述的电化学沉积反应的温度为30℃;步骤(2)中所述的电化学沉积反应的电流密度为0.25ma cm
‑2;步骤(2)中所述的电化学沉积反应的时间为0.5~1h;步骤(3)中所述的浸没的时间为5h;步骤(4)中所述的真空环境的压强为20mtorr;步骤(4)中所述的氨气的注入速度为100ml
·
min
‑1;步骤(4)中所述的热还原反应的温度为400~600℃;步骤(4)中所述的热还原反应的时间为4h;步骤(4)所述的热还原反应的加热速度均为5℃min
‑1。4.根据权利要求1所述的氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的柔性碳布基底通过如下步骤制备得到:将柔性碳布置于无水乙醇中超声处理,得到清洗好的柔性碳布;步骤(1)中所述的洗涤的具体操作为:待反应产物自然冷却后用去离子水冲洗;步骤(1)中所述的干燥为自然晾干;步骤(2)中所述的ph值为使用质量分数为30%的氨水溶液进行调节;步骤(2)中所述的洗涤的具体操作为:待反应产物自然冷却后用去离子水冲洗;步骤(2)中所述的干燥为自然晾干。5.一种氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料,其特征在于:通过权利要求1~4任一项所述的制备方法得到。6.一种电池器件,包括正极、负极和电解液,其特征在于:所述的正极的材料为权利要求5所述的氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料。7.根据权利要求6所述的电池器件,其特征在于:所述的负极的材料为锂片、钠片或以柔性碳布为基底的zn纳米片;所述的以柔性碳布为基底的zn纳米片通过如下步骤制备得到:将硫酸锌、硫酸钠和硼酸溶解在水中,超声分散均匀,加入清洗好的柔性碳布,进行电化学沉积反应;将反应产物洗涤、干燥,得到在柔性碳布基底上生长的zn纳米片阵列材料;所述的硫酸锌、所述的硫酸钠和所述的硼酸按摩尔比1.3~1.4:2.6~2.8:1配比混合。8.根据权利要求6所述的电池器件,其特征在于:所述的电解液是对应所述的负极适用的电解液,如下:所述的负极为锂片时,所述的电解液为以碳酸二乙酯和碳酸乙烯酯按体积比1:1混合得到的溶液为溶剂的lipf6溶液,lipf6的浓度为1m;所述的负极为钠片时,所述的电解液通过如下步骤制备得的:将nac1o4溶解在碳酸乙烯
酯和碳酸二乙酯按体积比为1:1混合得到的溶液中,并加入氟代碳酸乙烯酯,得到电解液;其中,nac1o4的浓度为l m,氟代碳酸乙烯酯为质量体积比2%;所述的负极为以柔性碳布为基底的zn纳米片时,所述的电解液为固态电解液。9.根据权利要求6所述的电池器件,其特征在于:所述的电解液为液体时,所述的电池器件还包括隔膜;所述的负极为锂片时,所述的隔膜为多孔聚丙烯薄膜;所述的负极为钠片时,所述的隔膜为玻璃微细纤维。10.权利要求5所述的氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料或权利要求6~9任一项所述的电池器件在电化学能源储存技术领域中的应用。
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