一种氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料及其制备方法，其步骤为：首先利用水热合成方式制备二氧化锰纳米线前驱体；然后将二氧化锰纳米线前驱体与盐酸多巴胺混合在滴加氨水的水与乙醇溶液中，并持续磁力搅拌，制备出聚多巴胺膜包裹的二氧化锰纳米线；最后将聚多巴胺膜包裹的二氧化锰纳米线在惰性气氛下退火，即获得目标产物N掺杂C膜包裹的一氧化锰纳米线(N

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料及其制备方法，属于纳米材料


技术介绍

[0002]氧化锰纳米材料(MnOx，包括MnO2、MnO、Mn2O3、Mn3O4)及其衍生物，由于其可调的结构和形貌、独特的物理和化学性质、丰富的资源、环境友好性和良好的生物安全性，在生物医学、锂电池、超级电容器、电催化析氢、环境处理、锌电池、光催化等领域的应用受到了广泛关注。特别是在锂电池领域，锰氧化物具有较高的理论比容量(锂离子电池中MnO2、Mn2O3、MnO和Mn3O4的理论比容量分别为1233、1018、756和937mAh g
‑1)，是极有前途的替代负极材料。然而，通常情况下，纯锰氧化物不会直接用作电池电极材料，一方面该类材料导电性差，另一方面该类材料在充放电过程中体积膨胀和碎片化，并堆叠在一起，导致性能显著降低，循环稳定性差；此外，产业化生产也限制了该类材料的使用。为了解决前两类问题，已经有部分工作提出通过改善锰氧化物的结构，来提高此类材料的导电性、循环稳定性和使用寿命，例如分层多孔MnO/碳微球材料、δ
‑
MnO2多孔复合材料和包覆在碳壳中的多孔Mn2O3纳米立方材料。

技术实现思路

[0003]基于上述现有技术所存在的问题，本专利技术提供一种化学稳定性高、速率性能好、循环稳定性和库伦效率优异的氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料及其制备方法。
[0004]本专利技术为实现目的，采用如下技术方案：
[0005]一种氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料的制备方法，其特点在于：首先利用水热合成方式制备二氧化锰纳米线前驱体；然后将二氧化锰纳米线前驱体与盐酸多巴胺混合在滴加氨水的水与乙醇溶液中，并持续磁力搅拌，制备出聚多巴胺膜包裹的二氧化锰纳米线；最后将聚多巴胺膜包裹的二氧化锰纳米线在惰性气氛下退火，即获得目标产物N掺杂C膜包裹的一氧化锰纳米线，记为N
‑
C@MnO。具体包括以下步骤：
[0006](1)将0.39～0.50g KMnO4和0.5mL质量浓度为36～38％的盐酸加入到45～60mL去离子水中，玻璃棒搅拌形成均质溶液，倒入水热反应釜内并封盖，然后转移到恒温鼓风箱中，升温至160℃，保温10h，自然冷却到室温；反应产物用去离子水和丙酮依次离心、收集，干燥，获得MnO2纳米线前驱体；
[0007](2)将步骤(1)所得MnO2纳米线前驱体0.12g与0.13
‑
0.26g盐酸多巴胺分散于150mL去离子水和乙醇混合溶液中，加入0.1
‑
0.5mL质量浓度为25～28％的氨水，磁力搅拌5
‑
12h，使盐酸多巴胺以MnO2纳米线为模板，聚合成聚多巴胺膜并包裹在MnO2纳米线外，获得聚多巴胺膜包裹的MnO2纳米线，用丙酮离心、收集，干燥；
[0008](3)在CVD管式炉中，惰性气氛(氮气或氩气)下，将步骤(2)所得聚多巴胺膜包裹的
MnO2纳米线600～700℃退火2～3h，之后打开管式炉的盖子，迅速降温，即获得目标产物N掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线。
[0009]进一步地，步骤(1)所用水热反应釜为聚四氟乙烯衬底，容积为100mL。
[0010]进一步地，步骤(1)与步骤(2)中，所述离心的离心力为4000
×
g～6000
×
g、单次离心时间为5min，离心不少于3次。
[0011]进一步地，步骤(3)中，CVD管式炉的升温速度为10～20℃/min。
[0012]本专利技术的有益效果在于：
[0013]1、本专利技术制备N
‑
C@MnO纳米线材料的方法简单成熟、成本低，获得材料化学稳定性好、能量密度较高、循环稳定性和库伦效率优异。
[0014]2、本专利技术合成出的N
‑
C@MnO纳米线锂电材料，提高了MnO材料的使用寿命和循环稳定性。碳膜对一氧化锰具有保护和支撑作用，促进了电荷的传输。利用本专利技术所得的负极材料制备的锂电池在充放电过程中，Li离子的输运是在碳膜外，在纳米线之间，不与锰氧化物接触。锂离子的移动对氧化锰的结构没有影响。MnO的体积膨胀和碎裂发生在碳膜内部，没有像纯MnO那样坍缩成一堆。碳膜中氮的掺杂提高了材料的导电性。纳米线之间形成了三维多孔结构，为锂离子提供了传输路径，同时提高了导电性能。
[0015]3、本专利技术所获得的纳米线的优点在于：氮掺杂碳膜包裹的MnO纳米线材料结构稳定、导电性好，作为锂电材料具有优异的循环稳定性、倍率性能和库伦效率，且可量产(产率高达79％)，适用于工业化生产。
附图说明
[0016]图1为实施例1所得MnO2纳米线、聚多巴胺膜包裹MnO2纳米线的SEM图片，其中：(a)为MnO2纳米线SEM图；(b)为聚多巴胺膜包裹MnO2纳米线SEM图。
[0017]图2为实施例1所得N掺杂碳膜包裹MnO纳米线的TEM图片，其中(a)、(b)均为N掺杂碳膜包裹MnO纳米线图片，(b)是(a)的局部放大图。
[0018]图3为实施例1所得聚多巴胺膜包裹MnO2纳米线及N掺杂碳膜包裹MnO纳米线的XRD图谱，其中：(a)为聚多巴胺膜包裹MnO2纳米线XRD图谱；(b)为N掺杂碳膜包裹MnO纳米线XRD图谱。
[0019]图4为实施例1所得N掺杂碳膜包裹MnO纳米线的TEM和元素mapping图，其中：(a)、(b)分别为N掺杂碳膜包裹MnO纳米线的TEM和mapping图；(c)
‑
(f)分别为Mn、O、C、N元素分析图。
[0020]图5为实施例1所得N掺杂碳膜包裹MnO纳米线的XPS图谱，其中：(a)对应纳米线的Mn2p谱峰；(b)对应纳米线C1s的谱峰；(c)对应纳米线的O1s谱峰；(d)对应纳米线的N1s谱峰。
[0021]图6为实施例1所得N掺杂碳膜包裹MnO纳米线的锂电池性能测试，其中：(a)为循环伏安曲线(CV)图；(b)为倍率性能图；(c)为恒稳电流充放电(GCD)图；(d)为循环稳定性测试图，具体为1000次充放电过程中充、放电电容及库伦效率图。
[0022]图7为实施例1所得N掺杂碳膜包裹MnO纳米线的交流阻抗(EIS)。
具体实施方式
[0023]下面结合具体实施例和附图，对本专利技术的上述目的、特征和优点进行说明。本实施例是在上述专利技术技术方案为前提下进行的，具体包括详细的实施方式和操作过程。本专利技术的技术内涵包括但不限于本实施例，本专利技术能够以多种不同于本专利技术的材料来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似改进，因此本专利技术不受下面公开的具体实施的限制。
[0024]实施例1
[0025]本实施例按如下步骤制备N
‑
C@MnO纳米线：
[0026](1)制备MnO2纳米线
[0027]将0.39本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料的制备方法，其特征在于：首先利用水热合成方式制备二氧化锰纳米线前驱体；然后将二氧化锰纳米线前驱体与盐酸多巴胺混合在滴加氨水的水与乙醇溶液中，并持续磁力搅拌，制备出聚多巴胺膜包裹的二氧化锰纳米线；最后将聚多巴胺膜包裹的二氧化锰纳米线在惰性气氛下退火，即获得目标产物N掺杂C膜包裹的一氧化锰纳米线，记为N
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C@MnO。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳膜包裹的一氧化锰纳米线锂电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将0.39～0.50g KMnO4和0.5mL质量浓度为36～38％的盐酸加入到45～60mL去离子水中，玻璃棒搅拌形成均质溶液，倒入水热反应釜内并封盖，然后转移到恒温鼓风箱中，升温至160℃，保温10h，自然冷却到室温；反应产物用去离子水和丙酮依次离心、收集，干燥，获得MnO2纳米线前驱体；(2)将步骤(1)所得MnO2纳米线前驱体0.12g与0.13
‑
0.26g盐酸多巴胺分散于150mL去离子水和乙醇混合溶液中，加入0.1
‑
0.5mL质量浓度为25～28％的氨水，磁力搅拌5
‑
12h，使盐酸多巴胺以Mn...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秋云，王娜，樊晓宇，谢珂，吕成云，陈圆，刘梓宁，张岚，
申请(专利权)人：安徽科技学院，
类型：发明
国别省市：