[发明专利]一种片状二氧化锰中空框架结构材料及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及纳米材料技术领域，为解决商业MnO₂类锌离子电池正极材料比容量不高、循环稳定性差、价格昂贵的问题，提供了一种片状二氧化锰中空框架结构材料及其制备方法、应用，所述片状二氧化锰中空框架结构材料按照以下方法制得：先在碳纤维布上原位生长MOF材料，然后加入锰源，通过水热法将MOF材料转换为片状二氧化锰中空框架结构材料。本发明制备工艺简单、条件温和、方法普适，对设备无特殊要求，可大规模产业化生产；本发明的片状二氧化锰中空框架结构材料保留了MOF框架结构，尺寸均一、结构稳定，组份分布均匀，具有优异的锌离子电池性能。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种片状二氧化锰中空框架结构材料及其制备方法、应用。

背景技术

如今，由于经济和人口的持续增长，全球能源消耗和需求的急剧增加，为了减少化石燃料的逐渐耗竭和伴随而来的气候问题。电能的发展越来越受关注。然而，传统的有机电池废置存在环境污染问题，新型能源的开发和利用迫在眉睫其中，锌离子电池（ZIB）作为一种新型能源转换装置，具有能量密度高、环境友好、使用寿命长、能源转换效率高、价格低廉等优点，受到了人们的广泛关注。然而，开发用于Zn离子嵌入的合适正极材料仍然是一个巨大的挑战，因此开发一种合适的锌离子电池正极材料迫在眉睫。

中空结构的纳米材料由于其优异的物理化学性质已经引起了广泛研究者的关注。由于纳米级的基本单元提供高表面积、高的表面体积比、表面功能基团，能为材料的整体结构提供理想的机械性能和化学性能。中空结构是从分子到宏观尺度由严格的组织原则形成的结构，且中空结构有利于离子快速扩散与传输。

MnO₂纳米材料作为一种重要的锌离子电池正极材料，得到了广泛的研究。中空结构的可控形态、取向和维度，成为材料科学研究的热点之一。由于其具有的一些特殊的物理化学性质，将会在电磁学、电子学、催化、水处理和能源方面有广泛的潜在应用。因此，获得具有特定尺寸、形貌、维度、高分散性的Mn氧化物纳米材料具有重要意义。然而，目前多Mn氧化物合成方法大都使用表面活性剂、有毒的有机溶剂，制备工艺复杂，且无法大量制备。

发明内容

本发明为了克服商业MnO₂类锌离子电池正极材料比容量不高、循环稳定性差、价格昂贵的问题，提供了一种尺寸均一、结构稳定的片状二氧化锰中空框架结构材料。

本发明还提供了一种片状二氧化锰中空框架结构材料的制备方法，工艺简单、条件温和、方法普适，对设备无特殊要求，可大规模产业化生产。

本发明还提供了一种片状二氧化锰中空框架结构材料在锌离子电池及柔性器件中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种片状二氧化锰中空框架结构材料，所述片状二氧化锰中空框架结构材料按照以下方法制得：先在碳纤维布上原位生长MOF材料，然后加入锰源，通过水热法将MOF材料转换为片状二氧化锰中空框架结构材料。

作为优选，所述锰源为高锰酸钾或硫酸锰；所述MOF材料为Co-MOF或Fe-MOF。

一种片状二氧化锰中空框架结构材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将碳纤维布进行亲水化处理，得亲水化碳布；

（2）在亲水化碳布表面原位制备MOF/CC材料；

（3）将MOF/CC材料置于锰源溶液中，进行水热反应，制得MnO₂/CC材料，即为片状二氧化锰中空框架结构材料。

本发明利用简单的两步反应，制备结构可控、形貌可调、组分分布均匀的片状二氧化锰中空框架结构材料。

作为优选，步骤（1）中，亲水化处理的方法为：将碳纤维布放入硝酸中，加热到80~100℃，反应4~6h，然后于去离子水中冲洗至中性，取出，烘干，得亲水化碳布。