[發明專利]一種過渡金屬碳酸鹽納米材料的制備方法及應用

在審

• 申請號: 202111641623.3
• 申請日: 2021-12-29
• 公開（公告）號: CN114506875A
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 胡小詩;韓旭斌;吳炎;羅德力;樊陽;項舒延;王艷玲;金成超;秦海英
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: C01G45/00
• 分類號: C01G45/00;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于功能納米材料制備技術領域，涉及一種過渡金屬碳酸鹽納米材料的制備方法，將金屬有機框架配合物MOFs前驅體作為金屬源加入到溶劑中，攪拌分散均勻得MOFs懸浮液；配置碳酸鹽溶液，將其與MOFs懸浮液混合反應，過濾、洗滌烘干后得到產物過渡金屬碳酸鹽納米材料。本發明通過以MOF為反應金屬源前驅體，來實現獨特納米結構的金屬碳酸鹽材料的可控制備，所得材料在鋰離子電池應用中，展示出良好的性能，相比于傳統的金屬碳酸鹽納米材料的制備方法，此發明的制備方法簡單，原料價廉易得，成本低，制備時間短，生產效率高，同時對金屬碳酸鹽材料形貌結構的調控效果好，極易用于大規模工業生產，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種過渡金屬碳酸鹽納米材料的制備方法。屬于功能納米材料制備技術領域。

背景技術

隨著社會科技的發展，人們對能源的需求量也越來越大，同時隨著人們環保意識的增強，能源的清潔性也越來越受到重視。鋰電池憑借著其高容量、環保、低成本、壽命長等優點在現在的能源領域發揮著重要作用，而作為其重要組成部分之一的負極材料，也是當下研究的熱點。

目前商業化的負極材料石墨存在比能量低、安全性差等問題，抑制了鋰離子電池的發展，從而需要尋求更為優異的負極材料。過渡金屬基材料如金屬碳酸鹽(金屬M＝Fe、Co、Ni、Mn等)由于其轉換反應機制能夠得到超高的比容量，加之安全性好，資源豐富，價格低廉，已經被證明是潛在的候選的負極材料，引起了人們的廣泛關注。但是過渡金屬碳酸鹽材料存在兩個比較典型的問題，一是電導率低，低電導率會導致倍率性能差，二是體積變化大，導致循環壽命較短，容量衰退較快。設計獨特的微納米結構可以部分緩解電化學過程引起的晶格應力/應變，并提供較短的電子/鋰離子固態擴散長度和相對更加充足的表面活性位點，因此常被用來克服上述問題。現有技術一般通過液相沉淀的方法，制備出了立方型、花生型、球型、紡錘型、啞鈴型等各種不同形貌結構的的碳酸鹽微納米材料。然而，為了得到獨特的納米結構，現有技術中液相沉淀合成過程通常步驟較為繁瑣，成本較高，如需要通過在溶劑熱條件下分解碳源前驅體，釋放出沉淀離子碳酸根，抑或需要加一些添加劑，如表面活性劑、還原劑等，來調控產物的形貌和組成，不利于實現工業化生產。

發明內容

本發明提出一種過渡金屬碳酸鹽納米材料的制備方法及應用，不僅可以實現制備方法的簡化和成本的降低，利于實現工業化生產，同時以MOFs為金屬源來制備金屬碳酸鹽納米材料，可以實現對產物形貌生長很好的調控，所制備獨特的納米結構的金屬碳酸鹽，可緩解電極材料在充放電過程中體積膨脹，并有效縮短鋰離子傳輸路徑，在作為鋰離子電池負極材料時，具有良好的高倍率性能和循環穩定性，能有效解決現有轉換反應型金屬碳酸鹽負極材料的技術不足，解決現有技術存在的問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種過渡金屬碳酸鹽納米材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：將金屬有機框架配合物MOFs前驅體金屬源加入到溶劑中，攪拌分散均勻；

步驟二：將碳酸鹽溶解于溶劑中，得到碳酸鹽溶液；

步驟三：將所述步驟二得到的碳酸鹽溶液，與所述步驟一得到的金屬有機框架配合物MOFs前驅體的懸浮液混合，反應后過濾、洗滌烘干得所述獨特的過渡金屬碳酸鹽納米材料。

本發明中，所述金屬有機框架材料MOFs可由本領域技術人員參照文獻資料，或根據現有技術等制備得到。

步驟一中，所述的金屬有機框架配合物MOFs前驅體金屬源為含Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等一種或多種過渡金屬元素節點的MOFs材料；

步驟一中，所述的金屬有機框架配合物MOFs前驅體的孔徑可大于或小于碳酸根離子的動力學直徑。

步驟一中，所述的金屬有機框架配合物MOFs前驅體金屬源中金屬節點的濃度為0.005mol/L-1mol/L；優選地，為0.05mol/L。