[发明专利]一种锌基MOF负载二氧化钒纳米材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种锌基MOF负载二氧化钒纳米材料及其制备方法和应用。本发明以锌基MOF材料为载体，在此基础上负载二氧化钒纳米材料。本发明以五氧化二钒作为钒源，并利用特定小分子有机物作为还原剂,将五氧化二钒有效的还原为二氧化钒；MOF材料具有极高的比表面积，将二氧化钒负载在其上面能够增加电极材料和电解液接触的比表面积，给锌离子的嵌入和脱出提供了更多的活性位点。电化学结果表明锌基MOF负载二氧化钒纳米材料作为正极使得锌离子电池具有良好的可逆比容量，在1A g^‑1电流密度下初始容量可达到299.3mA h g^‑1，在10A g^‑1电流密度下循环1000圈容量保持为141.4mA hg^‑1。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，更具体地，涉及一种锌基MOF负载二氧化钒纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，新能源技术特别是可充电电池的发展取得了较大的进展。目前，锂离子电池由于其能量传输效率高、高电压以及循环寿命长而被广泛应用于商用储能设备，然而其高成本和安全性等诸多问题严重阻碍了大规模应用。水系锌离子电池由于具有高导电性、锌金属资源丰富、化学物理稳定性高、环境友好以及安全性高而具有广阔的应用前景，被认为是下一代能源存储技术中非常有前景的替代品。

水系锌离子电池中正极材料性能的好坏对锌离子电池性能有重要的影响，开发高性能的正极材料成为锌离子电池发展的关键。目前研究较多的正极材料有锰基、钒基以及类普鲁士蓝电极材料。然而，各类锌离子电池正极材料均存在着导电性能差的共性问题，导致电池循环及倍率性能不高，这成为制约锌离子电池推广应用的瓶颈问题之一。

VO₂(B)具有开放的隧道状骨架，能够使得锌离子快速在其中脱嵌、插入，是理想锌离子电池正极候选材料之一。然而，VO₂/Zn电池的主要发展还存在一些问题:

1)溶剂化离子半径大、二价电荷高的Zn²⁺需要足够的插入空间和更稳定的阴极结构，否则可能导致阴极结构的坍塌。

2)大多数钒基材料导电性差，在水溶液中的溶解度差，直接导致容量损失，电化学性能不理想。

3)较小的比表面积，导致锌离子脱嵌速度降低。

解决这些问题通常有两种方法，一种方法是通过离子/分子插入扩大层间间距，加速锌离子的脱嵌/插入，另一种方法是通过包覆导电复合材料以增加材料的导电性能。

本发明使用水热法合成了锌基MOF-V材料，提出将二氧化钒负载到大比表的MOF材料上，从而增加了材料本身的层间距以及提供了更多能反应的活性位点，对倍率性能和循环稳定性有较大的改善，具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种锌基MOF负载二氧化钒纳米材料，该材料扩大了VO₂的层间距，同时为金属离子的脱嵌提供了更多的活性位点，容量、倍率性能和循环稳定性得到显著提升。

本发明锌基MOF负载二氧化钒纳米材料的制备方法：将可溶性还原剂、五氧化二钒、锌基MOF材料的混合溶液进行水热反应，产物洗涤、过滤、干燥获得。

所述的可溶性还原剂包括：葡萄糖、蔗糖、草酸、水合肼、果糖和维生素C中的至少一种；锌基MOF包括MOF-5和ZIF-8中的一种或几种。

所述的可溶性还原剂与五氧化二钒的V/C摩尔比为1：0.5～1：5，优选1：0.5～1：3；锌基MOF材料与五氧化二钒的质量比为1：1～1：12，优选1：2.4～1：12。

所述的水热法合成温度均为120℃～220℃，优选150-180℃，时间为8h～48h，优选12-24h。

最终的产物洗涤试剂包括去离子水、甲醇、乙醇、N-N二甲基酰胺，优选水和乙醇。