[发明专利]一种介孔氧化钴/氧化锰/碳复合纳米材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料技术领域，具体来说，涉及一种介孔氧化钴/氧化锰/碳复合纳米材料、制备方法及其应用。

背景技术

21世纪人类面临着能源危机和环境污染这两大重要的问题，因此清洁能源的开发与研究具有深远的意义。其中，各类汽车占石油消耗的40％左右，全球大气污染42％来自于交通车辆的排放。国家出台了很多政策鼓励大家购买新能源汽车，世界各国对发展电动汽车非常重视，我国863计划中也将发展电动车列为重要发展方向。作为车载动力的动力电池的研究，成为动力汽车发展的主要瓶颈。目前动力电池主要是氢镍电池，锂离子电池和燃料电池。超级电容器作为新型的储能设备受到了广泛的关注。电极材料的开发是困扰专家很大的一个问题。常用的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物。由于金属氧化物在电极/溶液界面反应所产生的法拉第准电容要远大于碳材料的双点层电容，因此引起了不少研究者的兴趣。

纳米结构材料具有特殊的电子、光学和磁性质，受到人们的广泛关注。超分子模板，如表面活性剂和嵌段聚合物，常作为“软模板”用来合成不同组成的纳米结构材料(包括二氧化硅、金属、金属氧化物、金属磷酸盐以及有机硅酸化合物)。

简单过渡金属及过渡金属氧化物因为具有较高的理论电容量，因此受到广泛的关注，是极具有潜力的新一代电池材料。其中钴的氧化物具有较高的理论比容量、廉价和环境友好等优点，受到了较多的研究。

薛红涛等以氢氧化钠和三氯化钴为原料，通过控制碱和钴盐的比例来制备钴的聚合物溶液，然后以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板剂制备了介孔氧化钴，采用了两段焙烧法去除表面活性剂，在焙烧温度为450℃，样品完全转化称为了氧化钴。制备得到的介孔氧化钴比表面积为146.5m²/g，平均孔径为6.9nm，孔体积为0.27cm³/g。所制得的氧化钴具有较好的稳定性，在550℃高温焙烧表面积为110.2m²/g。但是并没有应用在电化学上，单纯的氧化钴循环性能差，倍率性能差，限制了氧化钴作为电极材料的应用(薛红涛，沈水发，潘海波，谢长淮.介孔氧化钴的制备与表征[J].无机材料学报，2009，24(3)，577-580.)。

蒋庆来等将熔融的混合金属液体通过特定压强的高压气或高压水的方式雾化成颗粒，该合金粉应用于制备锂离子电极正极三元材料的前驱体。采用本发明制备的镍氧化钴/氧化锰合金粉具有组成均匀致密，密度大，粒度可控的优点，从而保证了在后续制备三元材料中制备的镍氧化钴/氧化锰氧化物前驱体均匀致密、密度大、粒度可控可调，可确保与锂化合物混合均匀，得到的三元材料组成均匀、密度大。本发明的制备工艺以及后续的三元材料制备工艺，不涉及湿法冶金，不会产生废水，环境友好。(蒋庆来，齐士博，杨先锋。镍氧化钴/氧化锰合金粉的制备方法。中国CN：102513541A[P]，2012-06-27)

目前已经通过多种方法制备得到了氧化钴，或者氧化钴跟其它材料的复合物，但是还是很少有人做出介孔双金属钴跟锰的复合材料，然后应用在电化学上的实例。同时制备氧化钴的过程相对来说比较繁琐，例如通过机械研磨对器械的要求比较高，通过水解方法制备过程不太容易控制，合成出来的材料的比表面积相对来说都不是很高。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种介孔氧化钴/氧化锰/碳复合纳米材料、制备方法及其应用。本发明操作简单、容易控制；得到的介孔氧化钴/氧化锰/碳复合纳米材料具有高结晶度、较大比表面积，把其应用在电化学上，表现出了良好的电化学性能，特别是高的电容量。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种介孔氧化钴/氧化锰/碳复合纳米材料，其是主要由氧化钴、氧化锰和碳组成的复合材料，呈介孔结构，其比表面积为105～298m²/g，孔容为0.2～0.65cm³/g，孔径为2.2～4.6nm。

本发明还提供一种上述介孔氧化钴/氧化锰/碳复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将非离子表面活性剂、无机钴源、无机锰源、有机硅源、有机高分子聚合物和溶剂在35～45℃温度的水浴下充分搅拌，形成均相溶液；然后在35～45℃温度的烘箱中放置15～30h，再在85～110℃温度的烘箱中放置15～30h进行交联，得到有机/无机复合物膜；其中：非离子表面活性剂、溶剂、无机钴源、无机锰源、有机硅源、有机高分子聚合物的质量比为1：(10～40)：(0.5～5)：(0.5～5)：(0.2～2)：(2～6)；