[发明专利]一种能够借助电荷转移储钠的层状二氧化锰制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种能够借助电荷转移储钠的层状二氧化锰制备方法及其应用，将高锰酸钾、硫酸钠和硫酸铵按一定比例混合制备前驱体溶液，随后借助水热法制备层状二氧化锰材料，并将该材料用于电容去离子电极。该材料具有较强的氧电负性，能够在水的电压窗口内发生电荷转移行为、储存更多钠离子。铵根离子和钠离子的共插层结构能够较好的调变二氧化锰的晶体结构、优化钠离子储存能力，且该制备方法操作简单、成本低、周期短，具有较好的工业应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，涉及一种能够借助电荷转移储钠的层状二氧化锰制备方法及应用。

背景技术

地球现有水资源大多(97％)以咸水形式存在，淡水资源短缺是我们所面临的主要挑战之一。为实现淡水资源可持续发展，将地球上储量丰富的海水及苦咸水淡化处理是唯一途径，因此寻找低能耗、高效率、无污染的新型海水淡化技术显得尤为重要。电容去离子(Capacitive Deionization,CDI)被誉为下一代海水淡化的“明星技术”，其工作原理与双电层电容器类似：电极在外加电场的作用下将电子和带电离子共同存储于所形成的双电层(Electric Double Layers,EDLs)内，进而达到了水净化的目的。但基于静电引力的EDLs离子储量仍相对较低，这限制了CDI的进一步发展。因此，近年来开发新型的法拉第电极材料正逐渐成为研究的热点。该类材料能够借助氧化还原反应进行离子的存储，基于该机理可以实现远超EDLs的离子储量。

法拉第电极材料的某些理化性质决定了最终的离子储量，这使得锚定影响其离子储量的关键参数并进行精准调控显得尤为重要。二氧化锰是常用的法拉第电极材料，其具有较宽正电势窗口(0～1V vs.SHE)，且成本低廉易于大规模制备。然而，该材料的离子储存能力仍远低于理论值，相关研究表明这是由于电子很难跨越二氧化锰的固液界面完成氧化还原反应。相关研究表明，二氧化锰晶格氧的电负性是决定电子界面转移阻力的关键因素之一。因此，本发明通过铵根和钠离子共插层的方法制备出了具有较高晶格氧电负性的层状二氧化锰材料，该材料具有优化的氧电负性界面并表现出了较高的钠离子吸附量。

发明内容

本发明旨在提供一种能够借助电荷转移储钠的层状二氧化锰制备方法，通过水热法制备用于CDI的层状二氧化锰材料。由于该材料晶格氧电负性较强并对钠离子亲合力强，使其在水的电化学窗口内就可发生电荷转移从而储存更多的钠离子。该制备方法操作简单、成本低、周期短，具有较好的工业应用前景。

本发明的技术方案如下：

一种能够借助电荷转移储钠的层状二氧化锰制备方法，按照如下的步骤顺序依次进行：

(1)前驱体溶液配置

将高锰酸钾、硫酸钠和硫酸铵分别溶于去离子水中，并将溶液进行磁力搅拌，得A溶液；

(2)水热反应

将A溶液转移至反应釜中于160～190℃下反应12h，冷却至室温，得B悬浊液；

(3)洗涤、干燥

将B悬浊液分别进行离心、水洗三次，然后将固体产物置于80℃干燥箱中6h，制得目标二氧化锰。

作为本发明的限定：

(一)步骤(1)中，所述高锰酸钾、硫酸钠和硫酸铵的摩尔比为10:10:1。本发明中，高锰酸钾、硫酸钠和硫酸铵的摩尔比至关重要，其影响着二氧化锰中晶格氧的电负性。这主要是因为适当比例的铵根离子和钠离子前驱物可形成双阳离子的共插层结构：当铵根离子/钠离子的比例过高时，会因为铵根与晶格氧的氢键作用产生屏蔽效应，进而屏蔽晶格氧对钠离子的静电吸引；而比例过低时则无法形成二氧化锰结构以及弱化晶格氧的电负性；

(二)步骤(1)中，所述磁力搅拌的速率为500r/min，时间为8min。

(三)步骤(3)中，所述离心的转速为10000r/min，每次离心时间为6min。