[发明专利]碳包覆ZnO纳米线及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料与电化学储能领域，具体涉及碳包覆ZnO纳米线及其制备方法，其可作为Zn‑Co电池负极材料，其由金属有机框架结构(ZIF‑8)和ZnO纳米线在碳布上复合之后高温热解形成的具有石墨化程度的碳颗粒包覆ZnO纳米线结构，其直径为300‑500nm，长为8‑10微米，碳颗粒包覆的厚度为10‑30nm。本发明结合水热法和低压气相沉积法，合成了具有良好机械性能和柔韧性的电极，其通过热解ZIF‑8形成多孔碳碳包覆ZnO，抑制负极的溶解和变形从而提升循环性能，最终实现Zn‑Co电池优异的循环性能。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学储能领域，具体涉及碳包覆ZnO纳米线及其制备方法，其可作为Zn-Co电池负极材料。

背景技术

随着化石能源的不断消耗，人们对可再生清洁能源的需求不断增加。大力发展高能量密度，高功率密度，环境友好，价格低廉的电化学储能器件成为解决这一能源危机的有效手段。锂离子电池因为其高能量密度在多个领域广泛使用，但是因为有机电解液的易燃性，金属锂的价格相对较高，这在一定程度上限制了锂离子电池的使用。因此，发展具有高能量密度，长循环寿命，高安全性，绿色环保，成本低廉的二次电池在能源领域有着重要的意义。

可充电水系Zn-Co电池有着高容量，优异的倍率性能，低毒性，高的工作电压。由于锌的价格低廉，资源丰富，具有很大的价格优势。同时水系的电解液，相比有机电解液，有着更快的电子传输速度，并且安全环保等优点，使Zn-Co电池成为一个强有力的锂电池替代者。

然而，Zn-Co电池通常在充放电过程中，处在碱性电解液的环境下的锌电极会发生溶解和变形，甚至会产生锌枝晶，这会极大缩短电池的使用寿命。因此发展不易变形，循环稳定的电池负极，成为解决这一问题最有效的手段。实验证明使用碳包覆后的氧化锌作为电池负极，可以明显的抑制电极的变形，最终显著的改善循环性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种碳包覆ZnO纳米线，通过热解金属框架材料(ZIF-8)形成碳包覆ZnO负极的制备方法，这种负极可以有效抑制电极的变形和溶解并增加导电性，最终增强电池的电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：碳包覆ZnO纳米线，其由金属有机框架结构(ZIF-8)和ZnO纳米线在碳布上复合之后高温热解形成的具有石墨化程度的碳颗粒包覆ZnO纳米线结构，其直径为300-500nm，长为8-10微米，碳颗粒包覆的厚度为10-30nm。

所述的碳包覆ZnO纳米线的制备方法，包括有以下步骤：

1)称取适量的硝酸锌，六亚甲基四氨，加入去离子水搅拌至完全溶解，之后缓慢加入氨水；

2)将步骤1)处理得到的溶液移入反应容器中，同时将碳布放入其中，水热反应得到长有ZnO纳米线的碳布；

3)将步骤2)得到长有ZnO纳米线的碳布放入密闭容器中并加入二甲基咪唑；

4)将步骤3)的密闭容器进行真空加热；

5)将步骤4)中生长有金属有机框架结构包覆ZnO纳米线的碳布取出，之后进行热处理，得到碳包覆ZnO纳米线。

按上述方案，步骤1)加入适量氨水调节溶液的pH为8-10。

按上述方案，步骤2)碳布采用浓度为0.1-0.5mol/L的高锰酸钾溶液浸泡，进行表面氧化处理过程。

按上述方案，步骤2)所述的水热反应为在80-100℃下水热，水热时间为15-24h。

按上述方案，步骤4)所述的加热温度为80-100℃,加热时间为1-3h。

按上述方案，步骤5)所述的热处理温度为500-650℃，热处理时间为3h。