[發明專利]基于鋅離子摻雜的三元金屬氧化物、其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710657222.4
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN109390564B
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 廖文明;藺洪振;李宛飛;肖清波;王健;李付錦;楊晉
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/42;H01M10/0525;H01M4/1391
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王茹;王鋒

本發明公開了一種基于鋅離子摻雜的三元金屬氧化物、其制備方法與應用。所述制備方法包括：按摩爾劑量比將鋅離子溶液與單一金屬氧化物的分散液均勻混合，形成混合液，之后進行水熱反應，使鋅離子摻雜至單一金屬氧化物的納米晶體中，獲得基于鋅離子摻雜的三元金屬氧化物，之后在空氣氣氛或保護性氣氛下，將所獲三元金屬氧化物進行高溫燒結，獲得結晶度高的三元金屬氧化物。本發明按摩爾劑量比鋅離子的添加可有效地控制鋅在材料中的摩爾劑量比，減少過量鋅的摻入對材料形貌、晶體結構的影響，有利于對材料合成過程以及元素比例進行精確調控和問題的分析，同時避免雜相的形成。

技術領域

本發明涉及一種三元金屬氧化物的制備，特別涉及一種基于鋅離子摻雜合成的三元金屬氧化物及其制備方法，以及其在鋰離子電池負極能源材料中的應用，屬于可再生能源材料合成技術領域。

背景技術

傳統燃料所形成的污染和能源危機的出現促使人們積極地尋找新型的、可替代性綠色能源。染料敏化太陽能電池作為可再生能源一直是關注的重點，目前其最高光電轉換效率已突破13.1％，是一種極有價值的光電能源器件。鋰離子電池作為一種二次儲能器件被廣泛地應用于商業領域中，其有著高能量密度、長效循環壽命以及記憶小等優點。因此，其相關能源材料的研發一直是科學界關注的熱門課題。

由于其比容量高、價帶匹配性好、價格低、化學結構穩定、可協同性且易于制備等優點，三元金屬氧化物(兩種金屬元素和氧元素組成的三元化合物)作為新興的能源材料被積極地應用于光電和光催化材料以及鋰離子電池負極的研究中。

三元金屬氧化物具有良好的價帶，與染料N719和N3等染料有著良好的匹配性，可應用于染料敏化太陽能電池光陽極和光催化的研究中，例如：Zn₂SnO₄和Zn₂Ti₃O₈。

相對于傳統碳材，三元金屬氧化物有著比容量高的優點，有利于其應用于商業化鋰離子電池負極。

目前，三元金屬氧化物材料的主要合成方法有原位合成法與非原位合成法。原位法合成過程中，兩種前驅體共同進行反應按照前驅體金屬離子添加的摩爾劑量比形成所需物質。非原位合成法過程則是先合成一種單一金屬氧化物，在此基礎上，通過離子嫁接或固相燒結等方式將兩種不同的物質形成一種晶體結構的三元金屬氧化物。

目前，金屬離子摻雜合成三元金屬氧化物通常會加入過量的金屬離子進行摻雜。比如：過量鋅離子摻雜無定型二氧化鈦納米線合成三鈦酸鋅納米線、過量的鋰離子水熱摻雜二氧化鈦納米球合成鈦酸鋰材料等。這些方法都會導致實驗和應用過程中可能形成一些雜相或者具有可控性不穩定，以及浪費原料等缺點。

高溫固相法合成三元金屬氧化物則需要進行高能球磨以及高溫固相燒結等高耗能反應過程，在一定程度上會造成能源的浪費。比如：ZnMn₂O₄油條狀納米棒的合成則是采用了高能球磨和高溫燒結的方式。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種基于鋅離子摻雜的三元金屬氧化物及其制備方法，以克服現有技術的不足。

本發明的另一目的在于提供前述基于鋅離子摻雜的三元金屬氧化物的應用。

本發明實施例提供了一種基于鋅離子摻雜的三元金屬氧化物的制備方法，其包括：

按摩爾劑量比將鋅離子溶液與單一金屬氧化物的分散液均勻混合，并于40℃～80℃攪拌6h～120h，形成混合液，之后進行水熱反應，使鋅離子摻雜至單一金屬氧化物的納米晶體中，并燒結，獲得基于鋅離子摻雜的三元金屬氧化物，其中，所述水熱反應的溫度為80℃～160℃，時間為6h～120h。

其中，所述摩爾劑量比又可稱為趨于摩爾劑量比，其誤差源于稱量、移液體、清洗和離心等實驗過程中的問題所造成。