[發(fā)明專利]一種原子級(jí)鎳摻雜增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)優(yōu)化MnO2

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210709285.0
• 申請(qǐng)日: 2022-06-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115072807B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊志宇;王德維;付真真;劉霞;姚燁波;高雪穎;吉英杰;李永嘉;嚴(yán)乙銘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/46
• 分類號(hào): H01G11/46;C01G53/04;C02F1/461;C02F1/469
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種原子級(jí)鎳摻雜增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)優(yōu)化MnOsubgt;2/subgt;材料的制備方法及應(yīng)用，屬于電極材料制備領(lǐng)域。包括前驅(qū)體溶液制備，并通過(guò)水熱合成和干燥得到Ni?MnOsubgt;2/subgt;。本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的鎳摻雜增強(qiáng)MnOsubgt;2/subgt;內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)離子在其中的擴(kuò)散能壘，從而提高了二氧化錳電極材料的電化學(xué)性能和除鹽性能，該方法制備步驟簡(jiǎn)單，易于操作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電極材料制備領(lǐng)域，主要涉及電容去離子電極材料的制備方法。

背景技術(shù)

由于地球上人口分布與淡水資源分布不成比例，加上水資源污染和使用過(guò)程中的浪費(fèi)，據(jù)估測(cè)，到2025年，淡水資源緊缺將成為世界各國(guó)普遍面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。據(jù)聯(lián)合國(guó)公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球有11億人生活缺水，26億人缺乏基本的衛(wèi)生設(shè)施。由于在地球全部水資源中，97.5％是海水，，為了緩解水資源緊張的嚴(yán)峻情況，海水淡化是大勢(shì)所趨。在各種海水淡化技術(shù)中，電容去離子(Capacitive?deionization,i.e.CDI)技術(shù)該項(xiàng)技術(shù)因?yàn)榈湍芎摹⑶鍧崯o(wú)污染的特點(diǎn)，在如今能源危機(jī)和淡水緊缺的大背景下，被認(rèn)為是最有前景地、高效地為人類提供可利用淡水的方法之一。

傳統(tǒng)CDI材料通常以碳材料為基礎(chǔ)，包括碳?xì)饽z、活性炭、碳納米纖維、碳納米管、石墨烯和分級(jí)多孔碳。然而，由于碳基材料沒(méi)有離子選擇性，在CDI工藝過(guò)程中，共離子的排出與反離子的吸附共存，降低了除鹽能力，增加了能耗。過(guò)渡金屬氧化物由于其低成本和高理論電容而受到廣泛關(guān)注。錳氧化物中，如二氧化錳(MnO₂)，因其具有較高的理論電容，固有的低成本和低毒性以及表面的親水性促使錳氧化物易于被溶液潤(rùn)濕而受到更多關(guān)注。然而，MnO₂受限于其固有的半導(dǎo)體特性，本征電導(dǎo)率差，無(wú)法儲(chǔ)存更多的鈉離子，導(dǎo)致其脫鹽能力相對(duì)較低，限制了其在CDI技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用。

為了解決上述問(wèn)題，目前制備了通過(guò)引入鎳雜原子以提高M(jìn)nO₂電極材料的對(duì)Na⁺電荷存儲(chǔ)能力。MnO₂基雜化電容去離子(Hybrid?capacitive?deionization,i.e.HCDI)的性能依賴于電子結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)。然而，電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)常用于光催化，內(nèi)建電場(chǎng)與離子吸附之間的潛在關(guān)系尚不清楚。到目前為止，還沒(méi)有關(guān)于原子摻雜增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)在電容去離子方面的系統(tǒng)研究報(bào)道，特別是在MnO₂基HCDI中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的首要目的是制備一種HCDI用電極材料。利用鎳摻雜調(diào)節(jié)內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)優(yōu)化MnO₂電極材料,提高二氧化錳的電化學(xué)性能和除鹽性能。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明所述的雜化電容去離子電極材料，包括以下合成步驟：

步驟1：在室溫下，將金屬錳鹽(Mn(SO₄)₂·H₂O)和金屬鎳鹽(Ni(SO₄)₂·6H₂O)溶解于蒸餾水中攪拌至混合均勻形成溶液；

步驟2：將高錳酸鉀(KMnO₄)溶解于蒸餾水中攪拌形成均勻溶液；

步驟3：在劇烈攪拌的情況下，將步驟2配好的高錳酸鉀均勻溶液通過(guò)塑料吸水管逐漸滴入步驟1的溶液中，觀察到溶液逐漸由淺棕色變成深棕色，且伴隨著有沉淀快速生成；滴加結(jié)束后，繼續(xù)攪拌約1小時(shí)，將所得到的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到內(nèi)襯反應(yīng)釜中；

步驟4：將反應(yīng)釜放入烘箱中140℃水熱反應(yīng)12小時(shí)；待冷卻至常溫后取出用乙醇抽濾3-5次，將收集到的藥品放入玻璃皿中在烘箱中85℃過(guò)夜烘干至第二天取出，研磨后收集裝瓶，得到鎳摻雜的二氧化錳，記為Ni-MnO₂。