[发明专利]一种氧化态可调节的VOx

说明书

本发明涉及一种氧化态可调节的VO_x@C三维互连结构材料及其制备方法和应用，该方法包括以下步骤：配制溶液：将壳聚糖溶解于混合溶剂中，搅拌均匀，记为A溶液；再将偏钒酸铵溶解于去离子水中，搅拌均匀，记为B溶液；再将A溶液与B溶液混合，加热搅拌，获得均匀溶液；反应制备：将均匀溶液转移至反应釜中进行水热反应，得到黑色沉淀；反应后处理：将黑色沉淀经洗涤离心后，干燥至恒重，得到VO_x@C前驱体；高温退火：将VO_x@C前驱体在惰性气氛下退火处理，得到氧化态可调节的VO_x@C三维互连结构材料，该材料应用于超级电容器的电极材料。与现有技术相比，本发明具有具有较高的比电容，操作简便可控，成本较低，无污染等优点。

技术领域

本发明涉及超级电容器材料领域，具体涉及一种氧化态可调节的VO_x@C三维互连结构材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着化石燃料的不断消耗和对绿色可持续能源的迫切需求，发展高效、耐用的能源储存和转换设备迫在眉睫。超级电容器(SCs)因其优异的充放电性能、高功率密度和长寿命，从而成为了最有前途的能量存储和转化设备之一，与其他各种储能装置(Li⁺电池、Na⁺电池、Li-S电池)一起受到世界各国研究者们的广泛关注。

根据电荷储存机制，超级电容器由两种不同的类型组成：双电层电容器和赝电容器。双电层电容器通常指具有高比表面积和导电性的碳材料，通过静电相互作用储存能量，但低能量密度限制了其应用。赝电容器结合了双电层电容器和电池的优点，可以通过表面氧化还原反应储存能量，不受固态扩散的限制，并且与双电层电容器相比具有更高的比电容和能量密度。因此，赝电容器在储能应用中显示出光明的前景。

V₂O₅具有独特的层状结构和多种氧化价态(V²⁺、V³⁺、V⁴⁺、V⁵⁺)而区别于其他过渡金属氧化物；同时因开发成本低、储量丰富、理论电容高等优点，使得V₂O₅被认为是电极材料的首选材料。然而，V₂O₅自身电导率低、稳定性差等缺点，使其实际应用仍然面临一个很大的挑战。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有较高的比电容，操作简便可控，成本较低，无污染的氧化态可调节的VO_x@C三维互连结构材料及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

发明人了解到，碳质材料具有高导电性和电化学稳定性，它可以为电子和离子提供连续的传递途径来增强动力学，防止活性成分的溶解，从而达到优越的稳定性。生物质碳因其成本低、易获得、可再生快、环境友好等优点，在电化学领域中广泛应用于生物质源碳质材料进行能量转换和存储。一般来说，大多数碳质材料来自生物质(例如，木材，虾/坚果壳等)，可通过惰性气体高温煅烧生物质获得。海洋节肢动物(虾、蟹)的壳、昆虫的壳、软体动物的壳、骨等都含有丰富的甲壳素。甲壳素在自然界中分布广泛，仅在纤维中存在，是第二大天然聚合物和一种可再生资源。

壳聚糖(CS)是由几丁质经脱乙酰化而成。CS已广泛应用于医药、食品、生物化学和生物医学工程等领域。CS富含氨基和羟基，与多种金属离子具有较强的配位作用。此外，由于它含有氨基，可以有效地将杂原子引入结构中，大大增加材料的导电率，进而提高电化学性能。

本发明采用生物质壳聚糖辅助，结合溶剂热法和高温退火法制备出了VO_x@C不规则纳米颗粒组成的三维互连结构材料，通过调节壳聚糖的用量，获得不同物相氧化态可调的VO_x@C材料，继而将其作为超级电容器的正极和负极电极材料，具有较高的比电容，具体方案如下：