一种具有有机疏水界面的五氧化二钒材料、其制法及应用

本发明涉及一种无机氧化物材料、其制法及应用，尤其涉及一种具有有机疏水界面的五氧化二钒材料、其制法及应用。

背景技术：

1、随着化石能源的过度开采和环境污染问题的加剧，对清洁可再生能源的需求日益增加，对储能系统的寿命和安全性能等也提出了更加严苛的要求。目前广泛使用的锂离子电池(libs)由于其有机电解液和锂枝晶带来的安全问题，以及锂资源的紧缺和高昂成本限制了libs在大规模电网储能中的应用。水系电池使用水溶液作为电解质，从根本上解决了有机电解质带来的安全问题。此外，水系电池还具有优异的离子电导率、低成本和环境友好等优点。在众多水系金属离子电池中，水系锌离子电池(zibs)由于锌金属的稳定性、储量丰富、成本低廉，以及高理论比容量(820mah g-1)等优点，成为下一代大规模电网储能技术的理想选择。然而，探索高性能的正极储锌材料仍然是一个艰巨的挑战。目前作为zibs正极材料的主要有普鲁士蓝类似物、有机聚合物、锰基氧化物和钒基氧化物。由于钒的多价态和开放框架晶体结构，与其它材料相比，氧化钒基材料表现出高比容量和更好的离子扩散动力学，使其获得了更加广泛的关注。

2、五氧化二钒是由vo5四角锥共享角形成的层状结构，其具有大的层间距和高理论比容量(589mah g-1)，是一种非常有前途的水系锌离子电池正极材料。然而，由于五氧化二钒在水系电池电解液中的溶解问题，导致其在循环过程中产生的结构塌陷和副反应的问题严重。例如，在zn(cf3so3)2电解液中，五氧化二钒溶解并结合溶液中的zn2+生成副产物焦钒酸锌覆盖在电极表面，从而影响电池寿命。为了解决这个问题，人们使用多种策略如分子插层、金属离子掺杂、构建氧空位和结构复合材料等抑制五氧化二钒的溶解。尽管上述方法已经取得了不错的效果，但是这些方法往往都需要大量的高温反应和退火步骤，制备过程复杂且成本较高，不适合大规模工业生产。因此，需要一种简单高效的方法解决钒基材料在zibs电解液中的溶解问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种可抑制钒的溶解和副反应发生的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料；

2、本发明的第二个目的是提供上述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法；

3、本发明的第三个目的是提供上述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的应用。

4、技术方案：本发明所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料，包括片状五氧化二钒，所述片状五氧化二钒表面包覆有疏水有机分子。

5、上述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)将五氧化二钒粉末和双氧水加入到去离子水中，搅拌，得到红色过钒酸溶液a；

7、(2)向红色过钒酸溶液中加入疏水有机分子，反应后得到溶液b；

8、(3)反应结束后向溶液b中加入有机溶剂，离心，洗涤，干燥，得到具有有机疏水界面的五氧化二钒。

9、其中，步骤(1)中，所述五氧化二钒、双氧水、去离子水的摩尔质量比为1～20：10～200：1110-11110。

10、其中，步骤(2)中，所述疏水有机分子为苯酚、2,4-二氯苯酚、双酚a、厚朴酚、酚酞、1-萘酚、三溴苯酚中的一种或几种。有机疏水分子常温下为固态且不溶或难溶于水。提前加入疏水有机分子可起到还原作用，加快过钒酸溶液分解，生成产物。

11、其中，步骤(2)中，所述反应温度为10～60℃；所述反应时间为12～72h。

12、其中，步骤(3)中，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙醚、二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。有机溶剂要能将疏水有机分子溶解，随后再将有机溶剂除去，这样才能形成均匀的涂层。

13、其中，所述疏水有机分子与有机溶剂的质量比例为0.1～2：10～100。

14、其中，步骤(1)中，使用磁力搅拌方式搅拌，所述搅拌的速度为500～1000r/min，搅拌时间为10-60min。

15、上述具有有机疏水界面的五氧化二钒材料在水系锌离子电池中的应用。

16、其中，包括上述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料作为正极、锌箔作为负极、玻璃纤维隔膜和zn(cf3so3)2电解液。

17、发明原理：五氧化二钒与过量双氧水反应生成红色过钒酸溶液，常温下过钒酸缓慢分解为五氧化二钒和氧气，加入疏水有机分子可加快分解过程。反应结束后加入有机溶剂将有机分子溶解，以达到均匀构建疏水涂层的目的。例如，随后离心、烘干，即可得到具有均匀疏水涂层的五氧化二钒材料。涉及的化学反应方程式如下：

18、v2o5+2h2o2→2hvo4+h2o

19、2hvo4+(n-1)h2o→v2o5·nh2o+o2

20、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)本发明的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料，由于材料表面和内部疏水有机分子的存在，解决了五氧化二钒正极材料在水系锌离子电池中溶解快和副反应严重的问题。将其作为正极材料应用于水系锌离子电池，获得了更加优异的电化学性能和循环稳定性。(2)本发明合成方法简单、合成温度较低、所用设备价格低廉、原料来源广泛，有助于开发性能稳定的水系锌离子电池正极材料及水系锌离子电池，且适合大规模生产，有效助力水系锌离子电池大规模应用。

技术特征：

1.一种具有有机疏水界面的五氧化二钒材料，其特征在于，包括片状五氧化二钒，所述片状五氧化二钒表面包覆有疏水有机分子。

2.一种权利要求1所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述五氧化二钒、双氧水、去离子水的摩尔质量比为1～20：10～200：1110-11110。

4.根据权利要求2所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述疏水有机分子为2,4-二氯苯酚、三溴苯酚、酚酞、厚朴酚、1-萘酚、双酚a中的至少一种。

5.根据权利要求2所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述反应温度为10～60℃；所述反应时间为12～72h。

6.根据权利要求2所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述有机溶剂为乙醚、丙酮、n-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇中的至少一种。

7.根据权利要求2所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，其特征在于，所述疏水有机分子与有机溶剂的质量比例为0.1～2：10～100。

8.根据权利要求2所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，使用磁力搅拌方式搅拌，所述搅拌的速度为500～800r/min，搅拌时间为10-60min。

9.权利要求1所述具有有机疏水界面的五氧化二钒材料在水系锌离子电池中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，包括权利要求1所述的具有有机疏水界面的五氧化二钒材料作为正极、锌箔作为负极、玻璃纤维隔膜和zn(cf3so3)2电解液。

技术总结
本发明公开了一种具有有机疏水界面的五氧化二钒材料、其制法及应用，该材料包括片状五氧化二钒，片状五氧化二钒表面包覆有疏水有机分子。本发明将商业五氧化二钒使用过量双氧水溶解，向其中加入疏水有机分子，反应结束后使用有机溶剂将有机分子溶解，得到具有有机疏水界面的五氧化二钒材料。由于材料表面和内部疏水有机分子的存在，解决了五氧化二钒正极材料在水系锌离子电池中溶解快和副反应严重的问题。将其作为正极材料应用于水系锌离子电池，获得了更加优异的电化学性能和循环稳定性。

技术研发人员：朱梦龙,张孝杰,龙宇,刘朝阳,高晓艳,阚晓雯,高李青,李孟雪
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21