[发明专利]一种微生物富集铌氧化物的多腔室微球电极材料制备方法

说明书

一种微生物富集铌氧化物的多腔室微球电极材料制备方法，涉及钠离子电容器电极材料技术领域，对在葡萄糖溶液中初步活化的酵母菌用丙酮溶液洗涤干燥后，与草酸铌溶液混合二次培养，经悬浮液转移至水热釜中反应，并将固体产物在氮气下退火固化，得到多腔室、多孔状微球结构的复合材料。本发明利用酵母菌生物的吸附特性富集金属铌离子，同时，草酸铌盐溶液中大量的铌离子通过离子扩散的方式穿过细胞壁进入酵母菌细胞的内部。最后在高温退火中获得酵母碳包覆五氧化二铌量子点的多腔室微球。本发明制备工艺简单，成本低廉，绿色环保，对制备出酵母基碳复合材料具有重要意义。

技术领域

本发明涉及钠离子电容器电极材料技术领域，具体涉及一种微生物富集铌氧化物的多腔室微球电极材料的制备技术。

背景技术

随着电子设备和混合动力汽车等的迅猛发展，对能源储存及转换设备的能量密度、功率密度和循环寿命及高安全性的要求越来越高。其中，钠离子电池（SIB）尽管可以提供较高的能量密度（150～200 Wh kg^-1），但是其低功率密度和差循环寿命阻碍了其进一步的发展。与之相反地，具有高功率密度（～10 kW kg^-1）、长循环寿命及快速充/放电速率的超级电容器（SC）则因低的能量密度而无法满足更高的市场需求。为了弥补SIB和SC的缺点，研究人员提出一种新的储能设备，即钠离子混合电容器（HSC）。具体而言，在含钠有机电解质中，HSC由钠离子电池的阳极（法拉第反应）和超级电容器的阴极（双电层型非法拉第反应）组成，从而能够提供高的能量密度和功率密度。然而，HSC实际应用的主要的问题在于两电极不同的电荷存储机制而引起的动力学失衡，因此，开发高容量和高功率的阳极材料是当前HSC的研究重点。

在众多的Na-HSC阳极材料中，五氧化二铌（Nb₂O₅）由于其高的理论容量、小的体积应变（5%）、安全的工作电势窗口（1~3 V）和特殊的晶体结构被认为是具有潜力的阳极材料。但Nb₂O₅固有的低导电率和有限的离子扩散速率限制了其在Na-HSC中的应用。为了缓解这一问题，通常将Nb₂O₅与碳材料结合以改善材料本身的性能。微生物衍生碳材料因价格低廉，无毒且易于制备受到人们广泛关注，同时也在电化学储能上发挥了重要作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种微生物富集铌氧化物的多腔室微球电极材料制备方法。

本发明技术方案是：

1）用丙酮溶液洗涤葡萄糖溶液活化后的酵母菌，取得酵母细胞；

2）酵母细胞与草酸铌水溶液混合进行培养，取得培养后的悬浮液；

3）将培养后的悬浮液与戊二醛混合进行水热反应，取得固体产物；

4）将固体产物在氮气下退火固化，得到微生物富集铌氧化物的多腔室微球电极材料。

就酵母菌而言，其体内存在丰富的氮、磷元素及官能团，如羰基，羧基和羟基等。丰富的基团可以通过静电吸附金属离子并与其形成较丰富的价键关系。步骤3）中的戊二醛的作用是和酵母菌中的氨基与多糖（细胞壁）的水解产物之间形成共价结合时起保护剂作用，防止空心结构坍塌。经过简单的碳化处理，可制备含有大量缺陷结构的金属氧化物@碳复合材料。五氧化二铌（Nb₂O₅）有高的理论容量、小的体积应变（5%）、安全的工作电势窗口（1~3V）和特殊的晶体结构，微生物衍生碳材料因价格低廉，酵母菌体内存在丰富的氮、磷元素及官能团，可以通过静电吸附金属离子并与其形成较丰富的价键关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）多腔室微球内部相互支撑的空腔增强了空心球体结构的稳定性和空间利用率。此外，微球表面具有明显的孔洞，有利于电解液进入多腔室中，提高了微球的有效接触面积。