[发明专利]基于锌离子掺杂的三元金属氧化物、其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于锌离子掺杂的三元金属氧化物、其制备方法与应用。所述制备方法包括：按摩尔剂量比将锌离子溶液与单一金属氧化物的分散液均匀混合，形成混合液，之后进行水热反应，使锌离子掺杂至单一金属氧化物的纳米晶体中，获得基于锌离子掺杂的三元金属氧化物，之后在空气气氛或保护性气氛下，将所获三元金属氧化物进行高温烧结，获得结晶度高的三元金属氧化物。本发明按摩尔剂量比锌离子的添加可有效地控制锌在材料中的摩尔剂量比，减少过量锌的掺入对材料形貌、晶体结构的影响，有利于对材料合成过程以及元素比例进行精确调控和问题的分析，同时避免杂相的形成。

技术领域

本发明涉及一种三元金属氧化物的制备，特别涉及一种基于锌离子掺杂合成的三元金属氧化物及其制备方法，以及其在锂离子电池负极能源材料中的应用，属于可再生能源材料合成技术领域。

背景技术

传统燃料所形成的污染和能源危机的出现促使人们积极地寻找新型的、可替代性绿色能源。染料敏化太阳能电池作为可再生能源一直是关注的重点，目前其最高光电转换效率已突破13.1％，是一种极有价值的光电能源器件。锂离子电池作为一种二次储能器件被广泛地应用于商业领域中，其有着高能量密度、长效循环寿命以及记忆小等优点。因此，其相关能源材料的研发一直是科学界关注的热门课题。

由于其比容量高、价带匹配性好、价格低、化学结构稳定、可协同性且易于制备等优点，三元金属氧化物(两种金属元素和氧元素组成的三元化合物)作为新兴的能源材料被积极地应用于光电和光催化材料以及锂离子电池负极的研究中。

三元金属氧化物具有良好的价带，与染料N719和N3等染料有着良好的匹配性，可应用于染料敏化太阳能电池光阳极和光催化的研究中，例如：Zn₂SnO₄和Zn₂Ti₃O₈。

相对于传统碳材，三元金属氧化物有着比容量高的优点，有利于其应用于商业化锂离子电池负极。

目前，三元金属氧化物材料的主要合成方法有原位合成法与非原位合成法。原位法合成过程中，两种前驱体共同进行反应按照前驱体金属离子添加的摩尔剂量比形成所需物质。非原位合成法过程则是先合成一种单一金属氧化物，在此基础上，通过离子嫁接或固相烧结等方式将两种不同的物质形成一种晶体结构的三元金属氧化物。

目前，金属离子掺杂合成三元金属氧化物通常会加入过量的金属离子进行掺杂。比如：过量锌离子掺杂无定型二氧化钛纳米线合成三钛酸锌纳米线、过量的锂离子水热掺杂二氧化钛纳米球合成钛酸锂材料等。这些方法都会导致实验和应用过程中可能形成一些杂相或者具有可控性不稳定，以及浪费原料等缺点。

高温固相法合成三元金属氧化物则需要进行高能球磨以及高温固相烧结等高耗能反应过程，在一定程度上会造成能源的浪费。比如：ZnMn₂O₄油条状纳米棒的合成则是采用了高能球磨和高温烧结的方式。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于锌离子掺杂的三元金属氧化物及其制备方法，以克服现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供前述基于锌离子掺杂的三元金属氧化物的应用。

本发明实施例提供了一种基于锌离子掺杂的三元金属氧化物的制备方法，其包括：

按摩尔剂量比将锌离子溶液与单一金属氧化物的分散液均匀混合，并于40℃～80℃搅拌6h～120h，形成混合液，之后进行水热反应，使锌离子掺杂至单一金属氧化物的纳米晶体中，并烧结，获得基于锌离子掺杂的三元金属氧化物，其中，所述水热反应的温度为80℃～160℃，时间为6h～120h。

其中，所述摩尔剂量比又可称为趋于摩尔剂量比，其误差源于称量、移液体、清洗和离心等实验过程中的问题所造成。