[发明专利]四氧化三锰纳米晶@3D蜂窝状分级多孔网络框架碳复合材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种Mn₃O₄纳米晶@3D蜂窝状分级多孔网络框架碳复合材料，3D蜂窝状分级多孔网络框架碳呈现立体多孔网络框架结构，在其每一个框架体内含有蜂窝状介孔；Mn₃O₄纳米晶紧密耦合于碳框架表面和蜂窝状介孔内部。其制备方法：首先通过软硬模板法合成3D蜂窝状分级多孔网络框架碳，然后通过化学反应在其表面和孔洞内生长MnO₂纳米片，煅烧后MnO₂分解为Mn₃O₄纳米晶获得最终产物。本发明可提高Mn₃O₄的电化学活性和结构稳定性，显著改善其放电比容量、循环性能和倍率性能。所述Mn₃O₄纳米晶@3D蜂窝状分级多孔网络框架碳复合材料作为锌离子电池正极材料具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种四氧化三锰(Mn₃O₄)纳米晶@3D蜂窝状分级多孔网络框架碳复合材料及其制备和应用。

背景技术

可充电水系锌离子电池(ZIBs)具有成本低、安全性好、比容量高、易于制造等优点，已成为锂离子电池最有前途的替代者。正极材料是决定ZIBs电化学性能的关键因素。在众多潜在的正极材料中，锰基氧化物，特别是MnO₂，因其资源丰富、环境友好、放电电压高、比容量大而受到极大关注。对MnO₂的广泛研究和显著进展引起了人们对其他锰基氧化物例如Mn₃O₄的浓厚兴趣，然而挑战仍然存在。Mn²⁺离子溶解，充放电过程中体积变化大，电导率低，反应动力学缓慢，导致Mn₃O₄结构严重不稳定，容量衰减快，比容量低，倍率性能差，限制了Mn₃O₄的实际应用。

为了克服上述问题，提高Mn₃O₄的储锌性能，将Mn₃O₄材料纳米化，并与各种高导电基底材料复合已成为一种有效策略。公开号为CN112374545A的发明专利公开了一种基于碳布生长的过渡金属离子掺杂Mn₃O₄纳米片阵列材料，公开号为CN110911653A的发明专利公开了一种Mn₃O₄/碳纳米管复合材料，公开号为CN107863485A的发明专利公开了一种纳米花球状Mn₃O₄@不锈钢网的复合材料。不过，这些工作还存在诸如碳布纤维过于粗大，比表面积较小，Mn₃O₄负载量较低；碳纳米管成本高，Mn₃O₄与碳纳米管结合强度不足；不锈钢网比表面积极小，负载Mn₃O₄能力很低等种种不足。研究表明，Mn₃O₄的结构与负载它的导电基底结构是影响Mn₃O₄水系锌离子电池性能的主要因素，设计并开发新的Mn₃O₄结构与导电基底结构，构建新型复合材料还有待更深入的研究。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种Mn₃O₄纳米晶@3D蜂窝状分级多孔网络框架碳复合材料。本发明可提高Mn₃O₄的电化学活性和结构稳定性，显著改善其放电比容量、循环性能和倍率性能。Mn₃O₄纳米晶@3D蜂窝状分级多孔网络框架碳复合材料作为锌离子电池正极材料具有重要的应用价值。