一种氮掺杂MnCo2O4纳米草正极材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料及其制备方法和光辅助增容应用。属于能源材料。

背景技术：

1、近年来，随着对便携式电子设备和混合动力汽车的需求异常增长，化石燃料的大量使用以及二氧化碳排放量的增加，导致了严重的能源危机和环境问题，提高电化学能量转换和储存能力是应对能源危机的重要手段。电化学超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、寿命长、成本低、环境友好等优点，已成为目前最重要的储能器件之一，然而较低的能量密度限制了其实际应用。因此对于研究新的电极材料以实现高能量密度装置极为重要。

2、太阳能作为一种环保、廉价、取之不尽、用之不竭的自然能源，可以转化为各种能源，如今太阳辐射在许多领域如光电、光催化和光热系统中得到了广泛的研究。光辅助超级电容器，通过电能和太阳能来充电并且储存能量，能有效提高超级电容器的能量密度。近年来的研究发现，许多双金属氧化物材料如znco2o4、mnco2o4等既可作为一种赝电容材料，也可作为光电化学中的光吸收材料，这些电极材料经光激发将会产生光生电子空穴对，在一定程度上调控了电容器的储能能力。然而双金属氧化物存在着电导率差、离子迁移动力学缓慢的问题，非金属原子的掺杂或取代能有效缓解这些问题。氮原子的掺杂会取代原有的氧原子，其周围的孤对电子能更好的与金属原子相互作用，生成的m-o-n键比原始的m-o键具有更长的键长和更高的电负性，降低了电子传递所消耗的能量。氮原子同时优化mnco2o4的电子结构，增强活性位点的活性，从而提高电子导电性。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料及其制备方法和应用。采用了氮掺杂mnco2o4纳米草作为正极材料，活性炭(ac)做负极材料，正负极均以泡沫镍作基底，组成了n-mco//ac水系非对称光辅助超级电容器，光照后比电容值有明显的提升。氮元素的掺杂在一定程度上解决了电极材料对光响应不敏感导致储能能力不足的问题，n-mco//ac的比电容值在光照下比未经光照增加了17％。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，制备方法包括如下步骤：将mnso4·h2o、co(no3)2·6h2o、co(nh2)2和nh4f溶解在蒸馏水中；将所得混合溶液转移至高压釜中，并放入泡沫镍，进行水热反应，反应完成后冷却至室温；取出泡沫镍，洗涤，干燥，得到原位生长氮掺杂mnco2o4纳米草的泡沫镍，为氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料。

3、进一步的，上述的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，按摩尔比，mnso4·h2o：co(no3)2·6h2o：co(nh2)2：nh4f＝1：2：10：2。

4、进一步的，上述的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，所述水热反应是，在120℃下水热反应8h。

5、进一步的，上述的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，按固液比，mnso4·h2o：蒸馏水＝1.7g：200ml。

6、本发明提供的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料在光辅助超级电容器中的应用。

7、进一步的，所述光辅助超级电容器为n-mco//ac水系非对称光辅助超级电容器。

8、进一步的，所述n-mco//ac水系非对称光辅助超级电容器的制备方法包括如下步骤：

9、1)正极的制备：以上述的氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料作为正极；

10、2)负极的制备：将ac、导电材料和粘合剂混合，加入少量无水乙醇，充分搅拌后，涂覆在泡沫镍上，干燥，得到负极；

11、3)以6m koh溶液作为电解液，将正极和负极包裹起来，中间加一层隔膜，组装成n-mco//ac水系非对称光辅助超级电容器。

12、进一步的，步骤2)中，所述导电材料是乙炔黑；所述粘合剂是pvdf。

13、进一步的，按质量比，ac：乙炔黑：pvdf＝8：1：1。

14、进一步的，步骤2)中，无水乙醇的用量为，每10mg ac、乙炔黑和pvdf的质量总和加入1ml乙醇。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明，通过水热法将氮掺杂mnco2o4纳米草原位生长在泡沫镍基底上，合成一体化电极。合成方法简单、价格低廉、使用安全。

17、2、本发明，合成了纳米草状的n-mco作为光敏正极，该形貌有效增加电极材料的比表面积，暴露出更多的反应活性位点，有助于载流子传输，促进在电极表面发生快速可逆的法拉第反应。

18、3、本发明，氮原子掺杂优化了mnco2o4的电子结构，氮原子取代了原有的氧原子，其周围的孤对电子能够更好的与金属原子相互作用，从而降低了电子传递所消耗的能量，提高了电子导电性。

19、4、本发明，利用n-mco和ac组装的水系非对称光辅助超级电容器，电压窗口可拓宽到1.4v。在实际应用中，三个该器件串联起来可点亮一个红色led灯。

技术特征：

1.一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，其特征在于，所述氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料制备方法包括如下步骤：将mnso4·h2o、co(no3)2·6h2o、co(nh2)2和nh4f溶解在蒸馏水中；将所得混合溶液转移至高压釜中，并放入泡沫镍，进行水热反应，反应完成后冷却至室温；取出泡沫镍，洗涤，干燥，得到原位生长氮掺杂mnco2o4纳米草的泡沫镍，为氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料。

2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，其特征在于，按摩尔比，

3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，其特征在于，所述水热反应是，在120℃下水热反应8h。

4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料，其特征在于，按固液比，

5.权利要求1-4任一项所述的一种氮掺杂mnco2o4纳米草正极材料在光辅助超级电容器中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述光辅助超级电容器为n-mco//ac水系非对称光辅助超级电容器。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述n-mco//ac水系非对称光辅助超级电容器的制备方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤2)中，所述导电材料是乙炔黑；所述粘合剂是pvdf。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，按质量比，ac：乙炔黑：pvdf＝8：1：1。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，步骤2)中，无水乙醇的用量为，每10mgac、乙炔黑和pvdf的质量总和加入1ml乙醇。

技术总结
本发明公开一种氮掺杂MnCo<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米草正极材料及其制备方法和应用，属于能源材料技术领域。采用水热法在泡沫镍基底上原位生长了N‑MCO，将其用作光辅助超级电容器电极，在光照下其比电容值显著增加，本发明既提高了超级电容器的储能性能，又解决了电极材料一旦成型电容就无法改变的问题。以N‑MCO作为正极材料组装成的水系非对称光辅助超级电容器电压窗口可扩展至1.4V，光照后比电容值提升了17％，三个该器件串联能够点亮一个红色LED灯。

技术研发人员：吴阳,唐瑞阳,赵云波,张宇,刘旭,李辉
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25