一种镁合金阳极表面原位生成ZIF-8涂层的改性方法

一种镁合金阳极表面原位生成zif-8涂层的改性方法
技术领域
1.本发明属于电极材料表面改性，具体来说是一种镁合金阳极表面zif-8涂层及其制备方法。


背景技术：

2.利用mg
2+
作为电荷载体的镁电池，由于其独特的无枝晶、低还原电位，在成本、安全性、工作电压和体积能量密度方面都有显著改善。所有这些优点使金属镁成为水性和非水性电解质电池的一种有前途的阳极。在过去几十年中，各种阴极材料，如mno2、空气、h2o2已与金属mg偶联，以满足不同电池系统的要求。例如，当初级mg-mno2干电池在20世纪初首次开发时，由于其理论能量密度高达759wh/kg，已成功应用于军事通信设备和飞机应急发射机中很长一段时间。但作为镁电池的镁阳极材料在各种常见电解质组分中耐腐蚀性低，导致其阳极利用率低。因此，有必要对镁电池的阳极进行表面改性，以提高镁阳极的耐腐蚀性能。
3.金属-有机骨架(mofs)是新型的纳米材料膜，mofs由金属离子和有机桥联配体配位而成，它们的孔径和配位空间可灵活调整，使mofs在许多领域都具有通用性，可广泛应用于气体存储和分离、化学传感器、超级电容器、催化剂等领域。但是，mof膜层与载体的材料性质差别较大，存在较多的连接性问题，难以形成牢固的高性能膜层。在膜的形成过程中，载体种类、表面粗糙度、孔隙大小、表面化学组成等因素都会极大影响mof晶粒在其表面成核、晶化和连生致密化的过程。在此，通过同源金属氧化物诱导法在镁合金阳极表面制备zif-8涂层。本申请旨在对镁电池的镁合金阳极进行表面改性原位生成zif-8涂层，从而提高镁合金阳极在镁电池电解液中的耐腐蚀性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种镁合金阳极表面zif-8涂层及其制备方法。
5.制备镁合金阳极表面zif-8涂层的具体步骤为：
6.(1)镁合金阳极预处理
7.将镁合金az91d裁剪成规格为40mm
×
30mm
×
2mm的载体。首先，依次用#180、#600、#1000、#1500的金相砂纸对镁合金阳极进行打磨抛光，主要目的是去除表面的有机冷却液以及氧化物等杂质，之后用大量的去离子水冲洗残留物。在60～80℃的条件下进行1～2分钟的除油处理，最后分别使用乙醇和去离子水超声处理10～15分钟，干燥备用；所用除油液组成为：20～50g/l naoh、10～30g/l na2co3、10～30g/l na3po4。
8.(2)zif-8涂层制备
9.将0.59g的六水合硝酸锌、0.245g的2-甲基咪唑、0.135g的甲酸钠溶解于30ml的甲醇溶液。随后倒入装有步骤(1)获得的镁合金载体的聚四氟乙烯反应釜中，其中镁合金是垂直悬挂于反应釜内，在80℃下恒温反应4小时。反应结束后自然冷却至室温，取出用去离子水缓慢冲洗2～10次，50℃干燥2～12小时，得到镁合金表面zno涂层。随后，将0.49g的配体
2-甲基咪唑溶解在30ml的甲醇溶液中，倒入内部放置着覆盖zno涂层的镁合金载体的聚四氟乙烯反应釜中，并在80℃下恒温反应12～14小时。反应结束后冷却至室温，取出用去离子水冲洗2～10次，50℃干燥2～12小时。即得到镁合金阳极表面zif-8涂层。
10.所述氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、六水合硝酸锌、2-甲基咪唑、甲酸钠、甲醇和乙醇均为化学纯及以上纯度。
11.本发明制备方法工艺简易，该zif-8涂层直接在镁合金表面原位生长，与镁合金载体有着良好的结合力，并能够均匀分布于镁合金表面。通过电化学性能测试发现该涂层具有良好的疏水性和耐腐蚀性能。
附图说明
12.图1为实施例1制得的镁合金和不同涂层的sem图像和接触角测试图，其中(a、b)为镁合金基体；(c、d)为zno涂层；(e、f)为zif-8涂层。
13.图2为实施例1制得的zif-8涂层的物相表征xrd图谱。
14.图3为实施例1制得的zif-8涂层在含有不同添加剂的高氯酸镁电解液中的电化学阻抗谱，其中a无添加；b为葡萄糖；c为聚乙二醇200。
具体实施方式
15.实施例：
16.(1)镁合金阳极预处理
17.将镁合金az91d裁剪成规格为40mm
×
30mm
×
2mm的载体。首先，依次用#180、#600、#1000、#1500的金相砂纸对镁合金阳极进行打磨抛光，主要目的是去除表面的有机冷却液以及氧化物等杂质，之后用大量的去离子水冲洗残留物。在65℃的条件下进行1分钟的除油处理，最后分别使用乙醇和去离子水超声处理10分钟，干燥备用；所用除油液组成为：20g/l naoh、30g/l na2co3、20g/l na3po4。
18.(2)zif-8涂层制备
19.将0.59g的六水合硝酸锌、0.245g的2-甲基咪唑、0.135g的甲酸钠溶解于30ml的甲醇溶液。随后倒入装有步骤(1)获得的镁合金载体的聚四氟乙烯反应釜中，其中镁合金是垂直悬挂于反应釜内，在80℃下恒温反应4小时。反应结束后自然冷却至室温，取出用去离子水缓慢冲洗6次，50℃干燥2小时，得到镁合金表面zno涂层。随后，将0.49g的配体2-甲基咪唑溶解在30ml的甲醇溶液中，倒入内部放置着覆盖zno涂层的镁合金载体的聚四氟乙烯反应釜中，并在80℃下恒温反应12小时。反应结束后冷却至室温，取出用去离子水冲洗6次，50℃干燥2小时。即得到镁合金阳极表面zif-8涂层。
20.所述氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、六水合硝酸锌、2-甲基咪唑、甲酸钠、甲醇和乙醇均为化学纯及以上纯度。
21.本实施例制得的镁合金阳极表面zif-8涂层通过sem及接触角测试表征表明，涂层表面呈片状网络结构，并均匀地分布于镁合金阳极表面，该涂层原位生长，无需打底层，与镁合金载体结合力良好。改性后镁合金阳极表面的接触角由65.24
°
升高到135.37
°
，具有良好的疏水性，疏水性提高可以有效阻挡腐蚀介质的侵蚀。利用x-ray射线对试样表面进行扫描得到xrd图谱表明，涂层中主要存在zno和zif-8。对本实施例的zif-8涂层进行耐腐蚀性
能表征，利用chi660电化学工作站，在三电极体系(甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极，镁合金阳极为工作电极)下进行测试，1mol/l的高氯酸镁溶液为基础电解液，添加剂葡萄糖浓度为0.2mol/l，聚乙二醇200的浓度为0.511mol/l。选用电化学阻抗谱研究镁合金阳极的耐腐蚀性能，待开路电位稳定后，在开路电位下进行测试，测试频率范围为105～10-2
hz。本实施例所获得的zif-8涂层改性后的镁合金阳极的电化学阻抗比改性前均增大了两个数量级，提高了镁合金阳极在该电解液中的耐腐蚀性能。


技术特征：
1.一种镁合金阳极表面zif-8涂层及其制备方法，其特征在于具体步骤为：(1)镁合金阳极预处理将镁合金az91d裁剪成规格为40mm
×
30mm
×
2mm的载体；首先，依次用#180、#600、#1000、#1500的金相砂纸对镁合金阳极进行打磨抛光，主要目的是去除表面的有机冷却液以及氧化物等杂质，之后用大量的去离子水冲洗残留物；在60～80℃的条件下进行1～2分钟的除油处理，最后分别使用乙醇和去离子水超声处理10～15分钟，干燥备用；所用除油液组成为：20～50g/l naoh、10～30g/l na2co3、10～30g/l na3po4；(2)zif-8涂层制备将0.59g的六水合硝酸锌、0.245g的2-甲基咪唑、0.135g的甲酸钠溶解于30ml的甲醇溶液；随后倒入装有步骤(1)获得的镁合金载体的聚四氟乙烯反应釜中，其中镁合金是垂直悬挂于反应釜内，在80℃下恒温反应4小时；反应结束后自然冷却至室温，取出用去离子水缓慢冲洗2～10次，50℃干燥2～12小时，得到镁合金表面zno涂层；随后，将0.49g的配体2-甲基咪唑溶解在30ml的甲醇溶液中，倒入内部放置着覆盖zno涂层的镁合金载体的聚四氟乙烯反应釜中，并在80℃下恒温反应12～14小时；反应结束后冷却至室温，取出用去离子水冲洗2～10次，50℃干燥2～12小时；即得到镁合金阳极表面zif-8涂层；所述氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、六水合硝酸锌、2-甲基咪唑、甲酸钠、甲醇和乙醇均为化学纯及以上纯度。

技术总结
本发明公开了一种镁合金阳极表面ZIF-8涂层改性及其制备方法。对镁合金载体依次进行打磨抛光、除油、超声清洗；然后，将其置于聚四氟乙烯反应釜中80℃下恒温反应4小时，以形成ZnO涂层；最后，再将其置于聚四氟乙烯反应釜中80℃下恒温反应12～14小时，清洗干燥后获得镁合金阳极表面ZIF-8涂层。本发明制备方法工艺简易，该ZIF-8涂层直接在镁合金表面原位生长，与镁合金载体有着良好的结合力，并能够均匀分布于镁合金表面，具有良好的疏水性和耐腐蚀性能。能。能。


技术研发人员：尚伟 刘金玉 王东 温玉清
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：2022.07.29
技术公布日：2022/10/25