[发明专利]一种氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料的制备方法，涉及到氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米纳米复合结构电极材料在水系锌离子电池中的应用。制备方法包括将一步水热法，形成二氧化锰/氧化石墨烯复合物，最后多巴胺在氨气碱性气氛条件自聚合形成氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料。本发明合成方法简单、原材料价格低廉、对环境污染小、易于大规模生产以及容易回收，具有作为水系锌离子电池商业正极材料的前景。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，涉及一种氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料的制备方法和应用。

背景技术

化石燃料的过度消耗而引发的能源危机及日益严峻的环境问题，促使人们寻找和发展更加清洁高效的能源系统，以突破科技进步而遇到的能源瓶颈。锂元素资源有限、高成本和有机电解质的使用等潜在的安全问题制约了锂离子电池的进一步发展。寻求进一步替代可充锂离子电池的新型储能元件显得尤为重要。可充电水系锌离子电池(AZIBs)中锌负极高理论比容量和低氧化还原电位优势，同时兼具无毒害性水系电解液的优点，有望成为高安全性和环保性的新型储能器件。

迄今为止，仅有锰基材料、钒基材料、尖晶石结构氧化物、普鲁士蓝及其类似物和有机氧化物等有限的几种适合应用作为水系锌离子电池中存储Zn²⁺的正极材料。锰基材料具有丰度高、毒性低、易于回收等优点，被认为是锌离子电池正极材料的最佳选择。锰基材料具有丰度高、毒性低、易于回收等优点，因此在用于锌离子电池正极材料中得到了广泛研究。二氧化锰是由MnO₆八面体单元通过边缘和/或角连接而成的，具有1×1，1×2，2×2和3×3等不同的体积尺寸结构，易于Zn²⁺嵌入/脱嵌。然而，限制二氧化锰正极材料发展的不利因素是其固有低电导率和结构稳定性差。如何改善二氧化锰材料的电导率和稳定材料的结构成为目前的研究重点。

为了提高二氧化锰正材料的稳定性，本发明采用碱性条件下多巴胺自聚合包覆二氧化锰纳米棒策略提高稳定性，增大材料比表面积提高容量；通过在复合结构中加入氧化石墨烯改善材料的电导率。此外，合成过程用到一步溶剂热法合成方法简单、原材料价格低廉、对环境污染小、易于大规模生产以及容易回收的优势，使其具备成为商业化材料的巨大潜力。

发明内容

本发明是为了解决二氧化锰正极材料低电导率和结构稳定性差的缺点，而提供了一种氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料的制备方法。

本发明还提供了依据上述方法制备的氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料的应用。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料的制备方法，步骤为：将硫酸锰的溶解于稀硫酸溶液中，磁力搅拌至澄清溶液，加入高锰酸钾溶液和氧化石墨烯分散液，一步溶剂热反应，冷冻干燥生成初产物；初产物，多巴胺和聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷加入到去离子水中，搅拌，抽滤，室温下碱性条件下自聚合、干燥即形成氧化石墨烯负载多巴胺包覆二氧化锰纳米复合结构电极材料。

进一步地，所述的硫酸锰溶液浓度为0.001～0.01mol/L，稀硫酸溶液浓度为0.2～0.5mol/L。

所述的高锰酸钾溶液浓度为0.05～0.25mol/L；氧化石墨烯质量分数为0.01％～20％，分散溶剂为去离子水，乙醇，二甲基甲酰胺或其混合物。

所述的溶剂热反应温度为100～220℃，反应时间8～24h。

所述的高速离心机转速为2000～15000r/min，离心时间5～30min，离心和去离子水洗涤次数3～5次。

所述的多巴胺与溶剂热反应生成物加入质量比例为0.25∶1、0.5∶1和1∶1。