[发明专利]一种尖晶石型纳米晶材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于化工材料技术领域，具体为一种尖晶石型纳米晶材料及其制备方法和应用。本发明方法包括：通过化学液相合成和溶剂热合成工艺，制备出尖晶石型纳米晶，经过洗涤和烘干处理得到粉体。制得的尖晶石型纳米晶，尺寸为4‑10 nm，通式为AB₂O₄，其中，A为Mn、Co、Zn、Ni中的一种；B为Mn、Co中的一种。本发明工艺简便、具有普适性，制得的纳米晶形貌均一可控，在单价与多价离子电池、超级电容器和光催化等领域具有巨大的应用前景。采用本发明制备尖晶石型纳米晶为正极材料组装的水系二次锌离子电池，具有比容量高、倍率性能优异的锌离子存储性能。

技术领域

本发明属于化工材料合成技术领域，具体涉及尖晶石型纳米晶及其制备方法，和水系二次锌离子电池中的应用。

背景技术

随着社会经济和科学技术的高速发展，在资源利用和环境污染方面的问题日益突出。各类新能源的开发利用变得日益迫切，相应的储能材料和储能设备也成为研究热点。高效存储能够极大地提高能源的利用率，单价离子电池（如锂、钠、钾）、多价离子电池（如镁、锌、铝）和超级电容器是常见的几类高效储能器件。由于锂资源的短缺和安全性等问题，多价离子电池近年来逐渐引起研究者们的关注。其中，水系二次锌离子电池克服了一次性锌锰干电池导致的回收处理和资源浪费问题，有着很大的应用潜力。

锌离子二次电池的电极材料很大程度上影响着电池性能，因此需要开发出容量高、功率大、稳定性好的电极材料。过渡金属氧化物是常用的一类锌离子电池电极材料，其中10纳米以内的尖晶石型氧化物又因高的活性比表面、短的离子扩散距离和快的离子扩散速率，能够加速离子存储的动力学并提高综合性能。目前，在尖晶石型纳米材料的制备过程中，常用的方法有固相法、沉淀法、溶胶-凝胶法、水热/溶剂热等（陈丽琴.尖晶石型锰酸锂的制备方法专利技术综述报告[J].科技视界,2015,29，324-325.）。上述方法制得纳米材料的结构包括纳米线、纳米片、纳米花等，其尺寸通常在20纳米以上，甚至可达到微米级（Yuan, C. Z., Wu. H. B., et al. Mixed Transition-Metal Oxides: Design,Synthesis, and Energy-Related Applications[J]. Angew. Chem. Int. Ed. 2014,53, 1488-1504），尺寸在10纳米以内的尖晶石型氧化物制备仍然是难点。

本发明提供一种工艺简便、具有一定普适性的尖晶石型纳米晶制备方法，纳米晶的形貌均一可控，尺寸在10 nm以下，在单价离子电池、多价离子电池、超级电容器和光催化等领域具有大的应用前景。采用本发明中尖晶石型纳米晶为正极材料而组装成的水系二次锌离子电池，展现出比容量高、倍率性能优异的锌离子存储性能。

发明内容

本发明针对现有零维尖晶石型材料合成技术中存在的不足，提出一种操作简便、安全环保的尖晶石型纳米晶材料及其制备方法，以及在水系二次锌离子电池中的应用。

本发明提供的尖晶石型纳米晶材料的制备方法，具体步骤为：

（1）采用化学液相合成工艺得到合成溶液：以A的可溶性盐、B的可溶性盐和氨水为原始反应物，A与B的摩尔比为1:（1-6），以乙醇作为合成溶剂环境，均匀混合，于80-90 ℃热油浴中加热反应体系2-10 h；这里A为Mn、Co、Zn、Ni中的一种；B为Mn、Co中的一种；

（2）采用溶剂热合成工艺，制备尖晶石型纳米晶：将上述所得合成溶液转移至反应釜的聚四氟乙烯内胆中，液体填充75%-85%，于120-250℃加热反应釜2-40h；

（3）经过洗涤和烘干处理，得到尖晶石型纳米晶粉体材料。

本发明中，所述的尖晶石型纳米晶，尺寸为4-10 nm，通式为AB₂O₄。