一种氮掺杂的单晶/无定形HVO异质结构的制备方法和应用

本发明属于储能器件领域，具体涉及一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池、超级电容器等多种水系储能器件被相继提出，它们可以通过电子转移、离子插层、离子吸附等过程提供优异的电化学存储能力。在这些水系储能器件中，超级电容器由于具有高功率密度、宽工作温度范围、低成本、易加工等优势而备受关注。众所周知，正极材料对超级电容器的电化学性能起着至关重要的作用。其中，钒基化合物由于独特的晶体结构和多价态(v3+、v4+、v5+)在用作超级电容器正极时能够提供高比容量和长循环稳定性。然而，电解液离子嵌入/脱出时产生的层间排斥、结构坍塌以及轻微溶于水溶液等问题急需解决。因此，合理的设计钒基化合物的晶体结构和电子结构对优化其储能特性具有重要意义。早期的研究已经证明，通过激发更多的活性位点和增强导电性，异质原子掺杂能够改善钒基电极材料的比容量和倍率性能。然而，钒基化合物在水性电解液中的轻微溶解性仍限制其性能的发挥。在钒基化合物表面构建稳定的保护层是增强其稳定性的关键。目前为止，一步法同时实现原子掺杂与保护层构建仍未被报道。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法和应用。

2、一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

3、一、制备h3.78v6o13纳米片阵列：

4、①、将钛箔进行裁剪，再依次使用稀盐酸、无水乙醇超声清洗，最后烘干，得到预处理后的钛箔；

5、②、将二水合草酸溶解在去离子水中，搅拌一段时间，得到无色溶液；将偏钒酸铵加入到上述无色溶液中，继续搅拌一段时间，得到黄色澄清溶液；

6、③、将黄色澄清溶液转移到聚四氟乙烯内胆中，再将预处理后的钛箔倾斜放入黄色澄清溶液中，将不锈钢反应釜外壳进行封装，再将封装好的反应釜在170℃～190℃下进行水热反应，待反应完成后，将钛箔取出清洗，钛箔表面生长了一层黑色产物，再使用稀盐酸将钛箔其中一面的黑色产物清洗掉，最后无水乙醇清洗、烘干，得到一面生长有hvo纳米片阵列的钛箔；

7、二、通过射频等离子体增强化学气相沉积制备n-hvo纳米片阵列：

8、将一面生长有h3.78v6o13纳米片阵列的钛箔放置在pecvd设备的石英管中，且使生长有h3.78v6o13纳米片阵列的一侧面向等离子体发生器，再密封石英管并多次抽真空以排除管内空气，向石英管中通入nh3，通过控制进气口和出气口的大小，使石英管内真空度维持在10pa～15pa，在射频功率为230w～250w下进行等离子体处理，等离子体处理结束，得到氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构。

9、一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构在超级电容器的正极材料中应用。

10、本发明的优点：

11、一、本发明通过室温氨气等离子体辅助，设计并制备了一种氮掺杂单晶/无定形h3.78v6o13异质结构(n-hvo)，并将其用作超级电容器正极材料；

12、二、本发明基于氮掺杂与异质结构的协同作用，制备的氮掺杂单晶/无定形h3.78v6o13异质结构(n-hvo)在1ag-1的电流密度下，释放了246.3fg-1的比容量，同时，循环20000次后，仍具有94.5％的高容量保持率。

13、本发明可获得一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构。

技术特征：

1.一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于所述制备方法具体是按以下步骤完成的：

2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的钛箔的厚度为0.5mm～1mm；步骤一①中所述的稀盐酸的质量分数为2％～3％。

3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的二水合草酸的物质的量与去离子水的体积比为(4mmol～5mmol):(40ml～50ml)。

4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤一②中将二水合草酸溶解在去离子水中，在40℃～50℃下搅拌20min～30min。

5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的偏钒酸铵的物质的量与去离子水的体积比为(3mmol～5mmol):(30ml～50ml)。

6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤一②中将偏钒酸铵加入到上述无色溶液中，在40℃～50℃下搅拌20min～30min。

7.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤一③中水热反应的时间为20h～28h。

8.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤一③中待反应完成后，将钛箔取出，使用去离子水和无水乙醇分别对钛箔进行清洗，钛箔表面生长了一层黑色产物，再使用质量分数为30％的稀盐酸将钛箔一面的黑色产物清洗掉，最后无水乙醇清洗、烘干，得到一面生长有h3.78v6o13纳米片阵列的钛箔。

9.根据权利要求1所述的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的制备方法，其特征在于步骤二中所述的nh3的流量为10sccm～15sccm；步骤二中所述的等离子体处理的时间为5min～15min。

10.如权利要求1所述的制备方法制备的一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构的应用，其特征在于一种氮掺杂的单晶/无定形hvo异质结构在超级电容器的正极材料中应用。

技术总结
一种氮掺杂的单晶/无定形HVO异质结构的制备方法和应用，它属于储能器件领域。本发明通过室温氨气等离子体辅助，设计并制备了一种氮掺杂单晶/无定形H<subgt;3.78</subgt;V<subgt;6</subgt;O<subgt;13</subgt;异质结构(N‑HVO)，并将其用作超级电容器正极材料。方法：一、制备H<subgt;3.78</subgt;V<subgt;6</subgt;O<subgt;13</subgt;纳米片阵列；二、通过射频等离子体增强化学气相沉积制备N‑HVO纳米片阵列。本发明基于氮掺杂与异质结构的协同作用，制备的氮掺杂单晶/无定形H<subgt;3.78</subgt;V<subgt;6</subgt;O<subgt;13</subgt;异质结构(N‑HVO)在1A g<supgt;‑1</supgt;的电流密度下，释放了246.3F g<supgt;‑1</supgt;的比容量，同时，循环20000次后，仍具有94.5％的高容量保持率。本发明可获得一种氮掺杂的单晶/无定形HVO异质结构。

技术研发人员：张家伟,李誉,刘欣,陈明华
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29