一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法及其应用。其步骤为：1)将十二烷基苯磺酸钠、苯胺盐酸盐和二价锰盐溶于去离子水中，得到混合溶液体系；2)将步骤1)所得混合溶液体系冷却至0～4℃，加入氧化剂，混合均匀后，静置反应得到稳定的聚苯胺水凝胶混合体系；3)将步骤2)所得聚苯胺水凝胶混合体系进行水热反应，反应结束后洗涤，冷冻干燥，得到聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶。该方法制备简单，原位合成得到聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶，最大程度的保留了聚苯胺的纳米纤维结构，二氧化锰在聚苯胺的纳米纤维结构中均匀分散，有效提高了复合体系的储能容量，增大聚苯胺基锌离子电池正极材料的应用潜力。电池正极材料的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法及其应用


[0001]本专利技术属于化学电源
，具体涉及一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法及其制备得到的锌离子电池正极材料。

技术介绍

[0002]化学电源作为高效的能量转换和存储设备，被广泛应用于移动通讯设备、日常生活用品、航天航空、机械等等。由于高能量密度、长使用寿命和高能量效率，锂离子电池成为目前应用最广泛的储能设备之一。然而，易燃易爆的有机电解液、有限的锂储量和高昂的价格成为锂离子电池应用中的重大挑战。为此，由锌金属负极、锌离子水性电解液和正极组成的锌离子电池备受研究者青睐。这是由于其以下显著的优势：锌金属资源丰富，化学稳定性高，且具有适宜的氧化还原电位(
‑
0.76V vs.标准氢电极)和高的理论比容量(质量和体积比容量分别为820mAh g
‑1和5855mAh cm
‑3)；中性锌盐(ZnSO4等)水溶液为电解液，成本低、安全、离子电导率高、环境友好等。这些优点使它具有极大的竞争力与应用潜力。但是，由于Zn
2+
的高极化特性，以及水系电解液能够稳定存在的电位窗口较窄，对于锌离子电池而言，开发合适的正极材料至关重要。
[0003]聚苯胺是目前研究较多的锌离子有机正极材料，其不仅具有资源可持续性、环境友好性、结构多样性等的有机电极材料固有的优势，还具有良好的导电性与电化学活性，被认为是最具发展潜力的锌离子有机正极材料之一。专利CN112736244A提出了具有交联纳米纤维结构聚苯胺水凝胶，将其作为锌离子电池正材料，取得理想的电化学性能。但是，由于其比容量还比较有限，一定程度上限制了它的推广应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法及其应用，用以解决聚苯胺基锌离子电池正极材料的储能容量有限的问题。该方法制备简单，原位合成得到聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶，最大程度的保留了聚苯胺的纳米纤维结构，二氧化锰在聚苯胺的纳米纤维结构中均匀分散，有效提高了复合体系的储能容量，增大聚苯胺基锌离子电池正极材料的应用潜力。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]提供一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法，包含如下步骤：
[0007]1)将十二烷基苯磺酸钠、苯胺盐酸盐和二价锰盐溶于去离子水中，得到混合溶液体系；
[0008]2)将步骤1)所得混合溶液体系冷却至0～4℃，加入氧化剂，混合均匀后，静置反应得到稳定的聚苯胺水凝胶混合体系；
[0009]3)将步骤2)所得聚苯胺水凝胶混合体系进行水热反应，反应结束后洗涤，冷冻干燥，得到聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶粉末。
[0010]按上述方案，所述步骤1)中，十二烷基苯磺酸钠与苯胺盐酸盐摩尔比为1：(1.5～
5)，二价锰盐与苯胺盐酸盐的摩尔比为1：(0.1～10)。
[0011]按上述方案，所述步骤1)中，苯胺盐酸盐的浓度为0.01～3.0mol/L。
[0012]按上述方案，所述步骤1)中，二价锰盐选自硫酸锰、硝酸锰、醋酸锰、氯化锰中的一种或者多种组合。
[0013]按上述方案，所述步骤2)中，氧化剂选自过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、双氧水中的一种或者多种组合。
[0014]按上述方案，所述步骤2)中，氧化剂与二价锰盐和苯胺盐酸盐之和的摩尔比为1:(0.8～2)。
[0015]按上述方案，所述步骤2)中，静置反应的条件为：时间为1～72h，温度为0～40℃。
[0016]按上述方案，所述步骤3)中，水热反应的条件为：温度为80～140℃，时间为1～48h。
[0017]提供一种上述方法制备所得聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶作为正极材料在锌离子电池中的应用。
[0018]本专利技术提供了一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的新方法，在反应体系中，加入十二烷基苯磺酸作为模板剂，与苯胺盐酸盐和二价锰盐混合，十二烷基苯磺酸钠与苯胺盐酸盐之间在静电作用和π
‑
π堆积作用下，组装形成纤维结构，二价锰盐则均匀分布在形成的纤维结构中。加入氧化剂后，聚苯胺纤维原位生成，并进一步缠绕形成稳定的块状水凝胶，其微观结构是由缠绕的纤维构成，二价锰盐也原位生成二氧化锰，并均匀附着在聚苯胺纳米纤维表面，克服了传统制备纳米颗粒易团聚的问题。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0020]1.本专利技术提供了一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的新方法，在反应体系中，加入十二烷基苯磺酸作为模板剂，与苯胺盐酸盐和二价锰盐混合，二价锰盐在形成的纤维结构中均匀分布，加入氧化剂后，将苯胺和二价锰盐氧化为聚苯胺和二氧化锰，原位生成的二氧化锰纳米颗粒均匀的附着在聚苯胺纳米纤维表面，得到聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶，具有完整的纳米纤维结构，二氧化锰在其中均匀分布，为电极提供连续的导电通路，并充分发挥锰的作用，提高复合体系的电化学储锌性能，进一步增大聚苯胺基锌离子电池正极材料的应用潜力。
[0021]2.本专利技术中加入氧化剂一锅反应将苯胺和二价锰盐氧化为聚苯胺和二氧化锰，最大程度保留聚苯胺的纳米纤维结构，克服了传统制备纳米二氧化锰易团聚的缺陷，工艺更简单，成本更低，具有更广阔的工业应用前景。
附图说明
[0022]图1为实施例4中制备的聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶(a)和对比例1中制备的聚苯胺水凝胶的扫描电镜照片(b)的扫描电镜照片的对比。
[0023]图2实施例4中制备的聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶锌离子电池正极材料在电流密度为0.2Ag
‑1电流密度下的充放电曲线。
[0024]图3实施例5中制备的聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶锌离子电池正极材料在电流密度为0.2Ag
‑1电流密度下的充放电曲线。
[0025]图4对比例1中制备的聚苯胺水凝胶锌离子电池正极材料在电流密度为0.2Ag
‑1电
流密度下的充放电曲线。
具体实施方式
[0026]下面通过实施例对本专利技术做进一步的解释说明。
[0027]实施例1
[0028]提供一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法，包含如下步骤：
[0029]将十二烷基苯磺酸钠(1mmol)、苯胺盐酸盐(2mmol)和硫酸锰(2mmol)溶于10mL去离子水中，得到混合溶液体系。将上述混合溶液体系冷却至0～4℃，加入氯化铁(4mmol)，混合均匀后，4℃下静置反应12h，得到稳定的聚苯胺水凝胶混合体系。然后将其置入水热釜中，在140℃下处理12h后，用去离子水洗涤5次，并经过冷冻干燥后，得到聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶粉末。
[0030]实施例2
[0031]提供一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法，包含如下步骤：
[0032]将十二烷基苯磺酸钠(1mmol)、苯胺盐酸盐(3mmol)和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位合成聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶的方法，其特征在于，包含如下步骤：1)将十二烷基苯磺酸钠、苯胺盐酸盐和二价锰盐溶于去离子水中，得到混合溶液体系；2)将步骤1)所得混合溶液体系冷却至0～4℃，加入氧化剂，混合均匀后，静置反应得到稳定的聚苯胺水凝胶混合体系；3)步骤2)所得聚苯胺水凝胶混合体系进行水热反应，反应结束后洗涤，冷冻干燥，得到聚苯胺/二氧化锰复合水凝胶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，十二烷基苯磺酸钠与苯胺盐酸盐摩尔比为1：(1.5～5)，二价锰盐与苯胺盐酸盐的摩尔比为1：(0.1～10)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，苯胺盐酸盐的浓度为0.01～3.0mol/L。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，二价...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄华波，白慧，吴可嘉，黄娟，马茹萍，李亮，刘玉兰，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：