[发明专利]一种原子级镍掺杂增强内建电场优化MnO2

说明书

一种原子级镍掺杂增强内建电场优化MnOsubgt;2/subgt;材料的制备方法及应用，属于电极材料制备领域。包括前驱体溶液制备，并通过水热合成和干燥得到Ni‑MnOsubgt;2/subgt;。本发明通过简单的镍掺杂增强MnOsubgt;2/subgt;内建电场来离子在其中的扩散能垒，从而提高了二氧化锰电极材料的电化学性能和除盐性能，该方法制备步骤简单，易于操作。

技术领域

本发明属于电极材料制备领域，主要涉及电容去离子电极材料的制备方法。

背景技术

由于地球上人口分布与淡水资源分布不成比例，加上水资源污染和使用过程中的浪费，据估测，到2025年，淡水资源紧缺将成为世界各国普遍面临的严峻问题。据联合国公布的统计数据，全球有11亿人生活缺水，26亿人缺乏基本的卫生设施。由于在地球全部水资源中，97.5％是海水，，为了缓解水资源紧张的严峻情况，海水淡化是大势所趋。在各种海水淡化技术中，电容去离子(Capacitive deionization,i.e.CDI)技术该项技术因为低能耗、清洁无污染的特点，在如今能源危机和淡水紧缺的大背景下，被认为是最有前景地、高效地为人类提供可利用淡水的方法之一。

传统CDI材料通常以碳材料为基础，包括碳气凝胶、活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯和分级多孔碳。然而，由于碳基材料没有离子选择性，在CDI工艺过程中，共离子的排出与反离子的吸附共存，降低了除盐能力，增加了能耗。过渡金属氧化物由于其低成本和高理论电容而受到广泛关注。锰氧化物中，如二氧化锰(MnO₂)，因其具有较高的理论电容，固有的低成本和低毒性以及表面的亲水性促使锰氧化物易于被溶液润湿而受到更多关注。然而，MnO₂受限于其固有的半导体特性，本征电导率差，无法储存更多的钠离子，导致其脱盐能力相对较低，限制了其在CDI技术中的实际应用。

为了解决上述问题，目前制备了通过引入镍杂原子以提高MnO₂电极材料的对Na⁺电荷存储能力。MnO₂基杂化电容去离子(Hybrid capacitive deionization,i.e.HCDI)的性能依赖于电子结构的调节。然而，电场强度调节常用于光催化，内建电场与离子吸附之间的潜在关系尚不清楚。到目前为止，还没有关于原子掺杂增强内建电场在电容去离子方面的系统研究报道，特别是在MnO₂基HCDI中。

发明内容

本发明的首要目的是制备一种HCDI用电极材料。利用镍掺杂调节内建电场来优化MnO₂电极材料,提高二氧化锰的电化学性能和除盐性能。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的杂化电容去离子电极材料，包括以下合成步骤：

步骤1：在室温下，将金属锰盐(Mn(SO₄)₂·H₂O)和金属镍盐(Ni(SO₄)₂·6H₂O)溶解于蒸馏水中搅拌至混合均匀形成溶液；

步骤2：将高锰酸钾(KMnO₄)溶解于蒸馏水中搅拌形成均匀溶液；

步骤3：在剧烈搅拌的情况下，将步骤2配好的高锰酸钾均匀溶液通过塑料吸水管逐渐滴入步骤1的溶液中，观察到溶液逐渐由浅棕色变成深棕色，且伴随着有沉淀快速生成；滴加结束后，继续搅拌约1小时，将所得到的物质转移到内衬反应釜中；

步骤4：将反应釜放入烘箱中140℃水热反应12小时；待冷却至常温后取出用乙醇抽滤3-5次，将收集到的药品放入玻璃皿中在烘箱中85℃过夜烘干至第二天取出，研磨后收集装瓶，得到镍掺杂的二氧化锰，记为Ni-MnO₂。