[發明專利]一種大面積晶態/非晶核殼結構的五氧化二釩納米線的制備方法

有效

• 申請號: 201410189562.5
• 申請日: 2014-05-07
• 公開（公告）號: CN103966638B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 李垚;童仲秋;趙九蓬;左璠雨;王藝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C25D9/04
• 分類號: C25D9/04;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京瑞思知識產權代理事務所(普通合伙)11341
• 代理人: 李濤,張東山

技術領域

本發明屬于納米材料的制備方法技術領域，具體是涉及一種大面積晶態/非晶核殼結構的五氧化二釩納米線的制備方法。

背景技術

隨著科學技術的發展，人們對于能源的需求越來越大，基于釩系氧化物的儲能節能材料日益受到廣泛關注。利用V₂O₅制備的智能窗，可以隨著外界溫度的變化調節其不同波段的光學性能，進而可以達到智能控溫的效果；同時，由于V₂O₅為層狀結構，層間的釩離子伴隨著鋰離子的脫嵌過程，可以被在多個價態(5+、4+、3+)之間進行可逆的氧化還原反應，所以五氧化二釩在超級電容器和鋰離子電池領域同樣具有重要的使用價值。五氧化二釩在電致變色、電容器和鋰電池領域的應用主要受鋰離子的脫嵌位點的數量和鋰離子擴散的距離限制。鋰離子的脫嵌位點的數量越高，鋰離子擴散距離越短，性能越好。傳統的晶態五氧化二釩薄膜，由于其內部存在的可供鋰離子可逆脫嵌的位點很少，同時鋰離子在薄膜內部的擴散距離較長，所以使用晶態五氧化二釩薄膜獲得的電致變色性能、電容性能和鋰離子電池性能都很差。另外，鋰離子在晶態的五氧化二釩的層狀結構中的脫嵌會引起晶體體積的膨脹與收縮，造成多次循環后晶體結構的破壞而致使性能的下降。非晶態的五氧化二釩中，由于原子排列的無序性使得其鋰離子在脫嵌過程中不存在體積膨脹的現象，從而其循環穩定性較晶態五氧化二釩高；同時，非晶態的五氧化二釩所提供的鋰離子可逆的脫嵌位點比晶態的五氧化二釩高，所以其性能比晶態的五氧化二釩高，但是由于非晶態的五氧化二釩的導電率(10^-5至10^-7 S/cm)比晶態的五氧化二釩低(10^-2至10^-4 S/cm)，所以非晶態的五氧化二釩作為電致變色、電容器和鋰離子電池材料的實際使用過程中，效果還不如晶態五氧化二釩好。

梁叔全等（中國專利CN201210262737.1）申請了一種采用溶膠凝膠法制備五氧化二釩薄膜，用于鋰離子電池納米正極材料的制備方法。該方法采用了溶膠凝膠法制備電極，對于環境具有一定的污染性，并且所制備的五氧化二釩全為晶態。陳文等（中國專利CN201310021148.9）申請了采用細長的玻璃纖維制備分級結構超長五氧化二釩納米線線束的方法。該方法為采用玻璃纖維為模板，該玻璃纖維在后續的使用過程中會一直殘留在五氧化二釩中；并且制備方法也是采用對環境存在污染的溶膠凝膠法。麥立強等（中國專利CN201310079430.2）申請了一種水熱制備五氧化二釩納米線的方法，該納米線表現出較強鋰離子電容性能。但是五氧化二釩納米線為通過水熱法制備，難以大量制備，且水熱的前驅體也是五氧化二釩溶膠，故對環境也存在危害性。

基于以上五氧化二釩材料在電致變色、電容器和鋰離子電池在實際使用過程中的缺點，我們提出了一種大面積（最大為4cm×4cm）晶態/非晶核殼結構的五氧化二釩納米線的制備方法，本發明使用膠體晶體為模板，通過電沉積的方法在模板中沉積五氧化二釩；采用有機溶劑去除聚苯乙烯小球以后，直接通過熱處理在導電的基體上獲得大面積晶態/非晶核殼結構的五氧化二釩納米線；使用該種方法制備的五氧化二釩納米線既能克服非晶態五氧化二釩導電性差的缺點，又能獲得大面積（最大為4cm×4cm）薄膜，從而該種方法獲得的薄膜在電致變色、電容器和鋰離子電池領域具有較強的使用價值。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中的V₂O₅薄膜在電致變色、電容器和鋰離子電池技術領域性能較低，難以大面積制備的技術問題，而提供了一種大面積晶態/非晶核殼結構的五氧化二釩納米線的制備方法。

本發明的大面積晶態/非晶核殼結構的五氧化二釩納米線的制備方法，其特征在于按以下步驟實現：

（1）在導電基板上制備聚苯乙烯小球堆積膠體晶體模板；

（2）以獲得的聚苯乙烯小球堆積膠體晶體模板為工作電極，在三電極體系下，電化學填充五氧化二釩；電沉積溶液為硫酸氧釩溶液，濃度為0.01mol/L~10mol/L，電沉積時間為5s~10min，沉積電壓為0.7V~3V；

（3）將步驟（2）獲得的薄膜置于一定量的有機溶劑中，通過浸泡去除膠體晶體模板，獲得三維有序大孔結構的五氧化二釩薄膜；